Reconnaissance mise en oeuvre pour le creusement du tunnel de

Reconnaissance mise en oeuvre pour le creusement du tunnel de
rd
th
Géoline 2005 – Lyon, France – 23 - 25 , May/Mai 2005
Reconnaissance mise en œuvre pour le creusement
du tunnel de St Béat (31)
GUITTARD JEROME, SOUVIGNET STEPHANIE, GASC-BARBIER MURIEL, VIRELY DIDIER
Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Toulouse, 1 av. du colonel Roche 31400, Toulouse
jerome.guittard@equipement.gouv.fr ; stephanie.souvignet@equipement.gouv.fr,
muriel.gasc@equipement.gouv.fr, didier.virely@equipement.gouv.fr
Résumé
Un tunnel est envisagé pour dévier la RN 125 au niveau de St Béat (31-France). Le projet se situe
dans la zone interne métamorphique qui se caractérise par des reliefs élevés et une dominante de
calcaires marmoréens et de dolomie. Les trois phases tectoniques qui se sont succédées ont entraîné
une structure complexe du massif (fortement fracturé et diaclasé). L’avancement actuel de l’étude est
présenté ; l’objectif final est, d’une part l’acquisition des paramètres géologiques et géomécaniques en
vue de l’application des critères AFTèS au dimensionnement de l’ouvrage et d’autre part l’amélioration
de la connaissance de la modélisation géomécanique 3D d’un massif fracturé, en adéquation avec
son utilisation.
Field investigations campaign realized for St Beat tunnel (France –31)
Abstract
The highway n° 125 is one of the few roads passing through the central Pyrenees at a medium
altitude. It crosses the little town of St Béat that is built against a steep slope on a narrow pass along
the Garonne River valley. At that place, tall cliffs overhang the town and the road. Thus, when a
project of an alternative way has been discussed, the choice of a tunnel has been evident. Actually it
is still a project but studies are quite advanced. The first stage, composed of bibliographical analysis,
was realized with the help of the “Onyx, Marbre et Granulats” company (OMG), which exploits a
marble underground mine, near St Béat. That company gave us access to many studies and to an
abandoned gallery situated above the entry of the tunnel. The studied zone belongs to the Pyrenean
metamorphic internal zone, which is characterized by marble limestone and dolomite. Three
successive tectonic events gave to the rock mass a complex structure that seems to be constituted by
subvertical layers, despite the lack of traces of foliation due to a recent metamorphism. Consequently
the massif is highly fractured.
The knowledge of the area, focused on the regional geological and tectonic features, was based in a
second stage, on aerial photo interpretation, on field investigations and on rock matrix and joints
mechanical testing. Recent investigations are composed of horizontal boreholes including diagraphy
and in situ mechanical testing (BHTV, BIPS, RAN, micro seismic test, dilatometer, boring, …)
The objectives of this study is to obtain, in a first time, the geological and the geomechanical model of
the area in order to apply the AFTèS criteria for the tunnel construction and, in a second time, to make
progress in the knowledge of the 3D geomechanical model of a such fractured rock mass all along the
borrowing of the tunnel.
Mots clés : Massif fracturé –données géologiques – lever de fracturation – modélisation géométrique
Keywords : fracturated rock – geological information – fracturation network - geometrical model
Introduction
La RN 125 est un des seuls passage entre la France et l’Espagne dans les Pyrénées centrales, à
faible altitude. Cet itinéraire traverse la ville de St Béat au niveau d’une cluse utilisée par la Garonne.
La ville est située sur les rives du fleuve, accolée à la montagne (cf. figure 1a) et surplombée par des
falaises. Ainsi, pour la réalisation de sa déviation, c’est la solution tunnel qui a été retenue. Son
creusement est prévu pour 2006.
Dans un premier temps, une synthèse bibliographique complète des informations géologiques
recensées sur la région a été réalisée. Elle a pu être menée à bien grâce, entre autre, à la
collaboration de la société OMG (Onyx Marbre et Granulats). Cette société exploite à proximité
plusieurs carrières de marbre en vue de l’obtention de charges minérales. Ainsi, elle a déjà mené pour
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son propre compte différentes études géotechniques in situ et en laboratoire et nous a donné libre
accès à ces informations. De plus, elle a mis à notre disposition d’anciennes galeries, aujourd’hui
abandonnées, qui ont permis l’étude du marbre vieilli et la réalisation de relevés de fracturation selon
différentes orientations, sur des parois mises à nu. La principale galerie étudiée, dite « galerie du
château » se situe à 35 m à l’aplomb du tracé du tunnel ; l’autre, plus petite, se situe en tête nord du
tunnel. La zone étudiée présente de nombreux systèmes de failles et de diaclases qui nous ont
poussés à une étude plus approfondie de la fracturation. Celle-ci s’est traduite par l’acquisition de
nombreuses données de terrain (relevés et essais in situ) qui laisse entrevoir des possibilités de
recherche sur la modélisation des massifs fracturés. Nous présentons dans cet article l’ensemble des
études in-situ qui ont pour l’instant été réalisées, ainsi que les perspectives envisagées en terme de
modélisation.
Acquisition des données géologiques générales
L’acquisition des données géologiques a été réalisée grâce à de nombreux relevés sur place,
l’utilisation de la carte géologique (Figure 1b) et au concours de la société OGM, comme nous l’avons
déjà dit. Nous présentons donc, dans un premier temps, l’ensemble de ces informations.
La zone interne métamorphique
La zone d’étude se trouve dans la zone interne métamorphique, qui est limitée par deux accidents
crustaux subverticaux : la Haute chaîne primaire, au sud, et le massif nord pyrénéen de la Barousse,
au nord. La Zone interne est essentiellement constituée de terrains secondaires antécénomaniens
métamorphiques (Trias à Albien supérieur). En raison de sa lithologie calcaire ou dolomitique
dominante (marbre), elle coïncide avec une ligne de reliefs assez élevés, escarpés ou boisés (Cap du
Mont, 1 207 m et Montagne de Rié, 1 128 m, au confluent de la Garonne et de la Pique). Trois phases
tectoniques y sont reconnaissables :
o La phase 1 est bien marquée par une schistosité de flux (marbre d’Ilhet par exemple) et par
des plis d’écoulement (marbres de Saint-Béat) ; elle est responsable de plis d’échelle
kilométrique, à axe sub-horizontal orienté W.NW / E.SE, que l’on retrouve sur les études de
photo-interprétation (Figure 2).
o La phase 2 est associée à une schistosité de fracture sub-verticale ; elle est à l’origine de plis
à axe vertical, comme l’anticlinal du Cap du Mont (Est de la Garonne). Cette phase est aussi
responsable de la formation de brèches tectoniques par fracturation et éclatement de roches
compétentes.
o La phase 3 est révélée par une schistosité de fracture sub-horizontale.
a
b
Figure 1 : Carte physique (a) et carte géologique (b) de la zone de St Béat
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Fig 1: topological (a) and geological (b) maps of St Beat area .
Photo-interprétation
Le travail d’analyse sur photo aérienne a été effectué à partir de la photographie n° 2068 – mission
FD 09-31/250 29.08.98. La Figure 2 présente la synthèse des entités qui ont ainsi pu être
positionnées, à savoir :
o Deux cônes de déjections débouchant sur la vallée de Saint-Béat.
o Des failles principales conformes à la faille nord pyrénéenne et d’attitude est / ouest.
o Des failles secondaires ou régionales d’attitude nord / sud, conjuguées à 90° aux failles
principales.
o Des failles locales, affectant le flanc ouest / nord-ouest du Cap du Mont.
Figure 2 : Synthèse de la photo-interprétation réalisée sur le secteur de St-Béat
Une seconde analyse de la photo au 1 / 8 000ème (extrait de la photographie 380 – mission DDE 31
16/02/1988) non présentée ici, a également été réalisée et on y retrouve les unités géologiques qui
sont conformes à celles obtenues à l’échelle 1/25000ème avec une information supplémentaire : des
linéations nord nord-ouest / sud sud-est dans l’unité géologique la plus jeune, deux failles principales
situées sur le tracé du tunnel, en tête nord et dans le talweg du château et trois failles secondaires qui
ne concernent pas le tracé.
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Le gisement de marbre de St Béat
De part la structure cristalline du marbre, la fracturation est rugueuse et les blocs s’engrènent assez
bien les uns dans les autres. Ainsi, malgré l’intense fracturation dans la masse, on constate par les
galeries actuelles, une bonne tenue des roches. Seuls des accidents localisés majeurs mais non
encore rencontrés, pourraient rompre l’harmonie tectonique. S’ils apparaissent, il faudrait les
interpréter et agir en conséquence pour les intégrer.
Observations hydrogéologiques
En ce qui concerne les circulations d’eau dans le massif calcaire, elles seront en général peu
abondantes mais des écoulements temporaires importants sont à attendre en cas de fortes pluies.
Lever géologique du cap du Mont – étude de la fracturation
L’étude générale de la fracturation montre que le secteur est souvent très diaclasé sauf exception de
la brèche rencontrée à la tête sud. Une première analyse rapide des discontinuités a été effectuée, en
surface et à l’intérieur du massif, en profitant notamment des deux galeries existantes. L’analyse a
porté essentiellement sur la densité globale des discontinuités (les classes de fracturations obtenues
pour les différentes stations vont de ID4, fracturation forte à moyenne, à ID2, fracturation faible à
moyenne) et sur l’organisation des discontinuités en familles.
Plus précisément, la structure d’ensemble est organisée autour d’un pli anticlinal d’échelle
kilométrique, à axe plongeant fortement vers le nord-ouest, qui apparaît assez bien au sommet du
Cap du mont sur la carte Arreau. Les terrains rencontrés par le tracé, s’échelonnent du plus ancien au
plus récent, du Lias à l’Aptien-Albien inférieur. Il s’agit essentiellement de terrains calcaires
métamorphisés qui ont été identifiés par comparaison avec ceux des séries non métamorphiques.
Toutes les formations observées correspondent à des roches saines.
Dans un second temps, des relevés systématiques de la fracturation ont été réalisés, en utilisant les
feuilles mises au point au CETu ([Tignol et al., 2002], [Chantron & Zumbo, 2002]). Dans la galerie du
château, sept lignes (horizontales et verticales) ont été réalisées (Tableau 1 et
Figure 3). Dans la mesure du possible, l’ensemble des parois a été relevé afin de couvrir plusieurs
orientations (pour une longueur totale de 80 mètres) et à chaque profil horizontal il a été associé un
profil vertical (plus court pour des raisons d’accès) afin de recouper au mieux les familles de
discontinuités. Ceci se vérifie particulièrement sur les profils 4H et 7V qui se situent en bord de galerie
et sur lesquels on constate la présence de failles perpendiculaires à l’axe du tracé.
Tableau 1: longueur des lignes de relevé de fracturation systématique
Horizonta
l
vertical
1
2
3
4
5
6
7
10
10
10
10
10
10
-
Longueur
(m)
60
3,5
2,5
3
4
3
-
4,5
20,5
4
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3
2
4
6
1
5
7
Figure 3 : Lignes de relevé systématique des failles dans la galerie du château
Des levés systématiques supplémentaires ont également été réalisés sur des affleurements en pied
de falaise dans le calcaire gris marmoréen et jusqu’à proximité de la brèche romaine (tête sud du
tunnel), soit 4 profils supplémentaires sur une longueur de 60 m au total.
Sur l’ensemble de ces relevés a été effectué un travail d’analyse par canevas de Wulff et de Schmidt.
L’identification des différentes familles a été possible grâce à l’analyse séparée des différents profils et
la prise en compte des relevés verticaux ; les profils semblables ont ensuite été regroupés. La Figure
4 présente la synthèse des relevés effectués sur la galerie du château. Seules les familles les plus
fréquentes sont indiquées. Les quatre mêmes familles se retrouvent le long du tracé (dans les
calcaires gris marmoréens), sur les lignes relevées à l’extérieur des galeries, et ce, à quelques
variations dans les valeurs de pendage près.
La Figure 5 présente quant à elle, les résultats obtenus en tête sud. Le profil est orienté N40 dans les
calcaires rubanés marmoréens gris et blancs. Il se situe à proximité de la brèche romaine et de la
faille Nord-Pyrénéenne. A cet endroit, d’après la carte géologique d’ensemble du BRGM, on peut
définir une orientation proche de N90° pour la faille Nord-pyrénéenne. Compte tenu de l’orientation du
profil de mesure, D’1 a été caractérisé grâce à une ligne verticale.
Ces deux exemples bien différents sont présentés afin d’illustrer la complexité de la structure du
massif, les deux zones de relevés étant distantes de quelques centaines de mètres seulement.
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Orientat Pend
ion
age
Espacem Persistanc
ent
e
0-1.5 m
10-30 cm
localemen
60-100
t
cm
métrique
D
1
N130165
5575°
D
2
N248267
7388°
0-50 cm
0-1.5
D
3
N25545
4-28°
0-10 cm
0-1 m
D
4
N180204
4075°
0-10 cm
0-0.50 cm
/ 0.5 – 3
m
Figure 4 : bilan sur la galerie du château (marbre blanc)
Orientati Penda Espacem
on
ge
ent
68150 cm
D’1 N45-61
84°
D’2
N310333
7890°
Persista
nce
<1m
0–3m
0–3m
Figure 5 : bilan des relevés en tête sud (calcaires rubanés marmoréens gris et blancs)
Analyse des données mécaniques (essais)
Les deux sondages carottés qui ont été réalisés au niveau de la tête sud et de la galerie du Château
ont permis la reconnaissance de trois des faciès qui vont être rencontrés lors du creusement du
tunnel. Il a été pratiqué les essais usuels d’identification sur ces roches, ainsi que des essais
d’abrasivité, de forabilité et de broyabilité sur les deux faciès principaux, à savoir les calcaires
métamorphisés blancs et gris
Essais de compression simple
Le Tableau 2 présente les résultats des essais mécaniques réalisés sur le marbre blanc du sondage
SC 57. Des tableaux identiques existent pour les autres faciès rencontrés. À partir de la courbe effort
déformation obtenue durant l’essai de compression simple, le module d’Young a été pris entre 1/3 et
2/3 de la rupture. cette valeur est dite « globale ». Elle intègre les déformations de l’éprouvette tant
dans les zones frettées en tête d’éprouvette que dans la zone centrale. Cette valeur est voisine de
celle donnée par les relations empiriques de Bieniawski.
Tableau 2 : Caractéristiques mécaniques du marbre blanc (sondage SC 57)
SC 57 Marbre blanc
R 41
profondeur
1,52 – 1,90
Vp (m.s-1)
6 157
2 703
Masse volumique, ρ (kg.m3
)
86,4
σc (MPa)
Eglobal (GPa)
19,0
R 43
13,84 – 14,34
6 172
2 705
R 44
18,4 – 18,9
6 049
2 700
Moyenne
Écart type
6 126
2 703
67
3
91.9
18,3
91.7
18,6
90.0
18,6
3.1
0,4
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Essais sur discontinuités
Des essais de cisaillement à force constante sur discontinuités ont été réalisés sur le calcaire
marmoréen, grâce à la presse haute pression (1 MN) et la boite de cisaillement (250*250 mm)
disponible au LRPC de Toulouse. Ils ont permis de mettre en évidence le comportement saccharoïde
des discontinuités. D’autres essais, avec des chemins de contrainte plus élaborés vont être menés au
cours du mois de février et seront présentés ultérieurement.
Essais mécaniques in situ
Une campagne d’essais in-situ comprenant des essais au vérin plat et des essais de surcarottage a
été réalisée sur le site, à la mi-janvier 2005, par le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de
Lyon. Les résultats ne sont pas disponibles à ce jour pour être inclus dans le texte, mais seront
présentés lors de l’exposé.
Première tentative de construction d’un modèle géologique
Grâce à l’ensemble des informations collectées et résumées plus haut, une première tentative de
construction d’un modèle géologique a été menée. Le premier objectif de ce modèle est d’essayer de
reproduire au mieux ce qui est observé sur le terrain, en particulier comparer la visualisation des
relevés en paroi avec les coupes pouvant être reproduites par le modèle. Pour cela nous avons utilisé
différents logiciels permettant de reproduire des données de fracturation, à savoir les codes Udec
(Itasca software), Résoblok, et Masfra.
Resoblok ([Heliot, 1988] ; [Asof, 1991] [Baroudi et al., 1992] ; [Koroni et al., 1995]) est développé au
LAEGO, laboratoire commun à l’Ecole des Mines de Nancy (ENSMN), l’Ecole de Géologie (ENSG) et
l’INERIS. Il s’appui sur le principe de l’identification des blocs-clés par la méthode déterministe
[Goodman et Shi, 1985] et sur l’algorithme de stabilité de Warburton [Warburton, 1981].
Il est important de noter que, tout comme Masfra, Resoblok n’est pas commercialisé, et son utilisation
est le fruit d’un accord de collaboration passé entre le LR de Toulouse et le LAEGO (V. MerrienSoukatchoff). Resoblok utilise un langage informatique spécifique, appelé BGL (Block Generation
Langage), qui permet d’écrire un scénario, qui sera ensuite interprété pour générer l’assemblage de
blocs. D’un point de vue conceptuel, l’architecture de Resoblok est organisée de la manière suivante :
o Un module de modélisation géométrique du massif sous forme d’assemblages de blocs.
L’introduction des fractures peut être réalisée de façon déterministe ou statistique ; dans ce
cas, chaque famille est définie par une loi statistique caractérisant l’orientation et une autre
caractérisant l’espacement.
L’extension des fractures est prise en compte soit en arrêtant celles-ci les unes sur les autres
(prise en compte de l’histoire géologique supposée), soit en admettant des fractures
polygonales. L’assemblage des blocs est généré sous forme d’un fichier base de donnée par
l’intermédiaire du module bg. Ce module utilise différentes séries de nombres pseudoaléatoires pour générer des assemblages de blocs différents à partir un même fichier
scénario. Le numéro de simulation, est le paramètre permettant le repérage de chaque série
particulière de nombre pseudo aléatoire.
o Différents modules « avals » permettent d’étudier l’assemblage de blocs ainsi créé : le module
bd, qui permet de représenter les blocs graphiquement ; le module bh qui permet de
représenter les histogramme des volumes des blocs sélectionnés, ainsi que les surfaces des
faces correspondantes, et enfin le module bsa qui permet l’analyse de stabilité des blocs
isolés (blocs stables, chute libre, glissements plans, glissements dièdres)
La Figure 6 présente un « bloc » de 10*10*10 m réalisé en utilisant la synthèse des relevés de
fracturation réalisés à la galerie du château, dans les marbres blancs (cf. Figure 4). Des
développements sont en cours pour l’étude de la stabilité d’un tunnel dans un tel contexte (en prenant
en compte les caractéristiques des joints).
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Géoline 2005 – Lyon, France – 23rd - 25th, May/Mai 2005
Figure 6 : Modèle 3D réalisé avec Résoblok (avant et après excavation du tunnel)
Masfra est un programme, développé sous Visual Basic, par A. Pouya du LCPC (Pouya et Ghoreychi,
2001a, 2001b ; Pouya et Courtois, 2002). Il a été conçu, à la base, comme support d’un calcul
mécanique classique. Il permet de représenter en trois dimensions des réseaux de fractures, puis de
couper le bloc ainsi créé par un plan de coordonnées choisies. Le but initial du programme était
d’utiliser ensuite le réseau de fracture obtenu dans ce plan, comme base pour un maillage ultérieur à
réinjecter dans un code de calcul mécanique. Son développement pour d’autres fonctionnalités est en
encore en cours et son application au cas étudié également.
Dans son fonctionnement, Masfra, définit les fractures comme des disques de rayon donné dont la
répartition au sein de la famille est définie par une fonction exponentielle. On utilise des coordonnées
sphériques pour indiquer les orientations des fractures, qui sont ensuite simulées selon une
distribution gaussienne. Le bloc créé peut ensuite être recoupé par des plans ou des droites (pour
simuler la création de fronts de taille ou de sondages).
Udec présente quant à lui, l’avantage de pouvoir réaliser des calculs mécaniques. Nous nous sommes
pour l’instant limités à la comparaison « visuelle » des traces de fractures modélisées, avec ce qui
peut être observé en paroi. La Figure 7 présente une représentation de ce que l’on obtiendrait en front
de taille suivant l’axe du tunnel (bloc de 10*10m), à partir des relevés de la galerie du château. Cette
représentation est pour l’instant moins satisfaisante, comparée aux données terrain, que celle
proposée par Résoblok. Un travail de rétro-analyse, concernant les paramètres du modèle est en
cours, pour affiner les résultats. On peut par exemple noter, qu’un des paramètres demandés par
Udec est la distance d’écartement entre deux familles parallèles. Or, lors d’un relevé systématique par
ligne, cette distance n’est jamais mesurée, et elle est de toute façon très délicate à apprécier in situ.
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Figure 7 : Modèle avec Udec (avant et après l’excavation du tunnel)
Bilan et perspectives actuelles
L’étude « technique » portant sur le creusement du tunnel de St Béat est encore en cours au moment
où nous écrivons. La série de forages horizontaux doit débuter à la mi-février 2005, et nous espérons
pouvoir présenter les résultats de diagraphie lors du congrès. Ces résultats seront exploités de
différentes manières : évidemment d’un point de vue opérationnel afin de pouvoir correctement
dimensionner le tunnel mais nous souhaitons également nous appuyer sur ces informations pour
pouvoir progresser sur la connaissance des massifs fracturés. En effet, la longueur significative de
relevés systématiques sur affleurement, conjuguée aux relevés de fracturation en sondage par
caméra, devrait permettre d’obtenir une masse d’information suffisante sur lesquels nous souhaitons
nous appuyer pour avancer sur la connaissance des biais induits lors de la modélisation des massifs
fracturés.
Il ne faut, en effet, pas perdre de vue que le problème majeur, pour le traitement statistique des
données, reste bien la représentativité de l’échantillonnage effectué, celui-ci étant naturellement
biaisé, d’une part par l’orientation des affleurements et/ou des forages où sont réalisés les relevés, et
d’autre part par la sensibilité du géologue qui effectue ces relevés. L’utilisation conjointe de relevés en
forage et la systématisation des relevés terrain constitue donc des informations a priori plus
objectives, d’où l’intérêt de faire des relevés aussi exhaustif que possibles. De plus, l’extrapolation des
données nécessairement ponctuelles par rapport à la taille de l’ouvrage est délicate et donne lieu à
diverses recherches (Fouché et al., 2002 ; Alfonsi et al., 2004 ; Bedjaoui et al., 2004 ; Rajmeny et al.,
2004 ; Ramamurthy, 2004 ; Alfonsi et Fouché 2005).
Remerciements
L’ensemble de ce travail a pu être mené et peut continuer grâce à une collaboration étroite avec
Ms Robert, Chantron et Bouguet du CETu, Ms Grabié et Taimiot de la DDE 31 ainsi que Ms. Pouya et
Alfonsi du LCPC et Mme Merrien-Soukatchoff de l’ENSMN.
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Références
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number of free face. Int. J. of Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 18 (1981) 415 –427.
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