Creusement Des Ouvrages Souterrains
Creusement Des Ouvrages Souterrains
Creusement Des Ouvrages Souterrains
Brochure de cours
Par
Dr. Zied BENGHAZI
Sommaire
Titre Page
Chapitre 1 : Introduction au techniques de creusement souterrain. 2
Chapitre 2 : Comportement des terrains autour d’une excavation minières souterraine 13
Chapitre 3: Creusements des excavations horizontales et inclinés 45
Chapitre 4: Matériaux de soutènement 55
Chapitre 5: Creusement des fouilles 68
Références 78
-1-
Chapitre 1: Introduction au techniques de creusement
souterrain.
1. Introduction
La construction des ouvrages souterrains, quelque soit leur nature, ce fait par
l’execution de creusement à travers des formations géologiques de nature et propriétés
variées.
Faire face aux differententes contraintes rencortrées lors du creusement des ouvrages
souterrains, necessite l’emploi des outils appropriés du personnel qualifié.
2. Définitions
2.1. Galerie
Une galerie est un nom général designant toute voie souterraine (naturelle ou
artificielle), plus ou moins horizontale. Dans le domaine minier, les galeries sont
executées dans le but d’exploiter les ressources minières du sous-sol.
2.2. Puit
2.3. Cheminée
Synonyme de puits, servant à l'aérage dans certains cas. Mais aussi à l'extraction de
gros blocs de pierres de taille dans certaines carrières souterraines (avec une très forte
section).
-2-
2.4. Travers-bancs (ou bowettes)
Galeries à grande section, creusées à des niveaux différents pour desservir les futurs
chantiers d’exploitation d’une mine souterraine.
Les couches sont ainsi recoupées à des niveaux, soit directement par des bowettes
principales, soit par des travers-bancs secondaire.
- Galeries des Bandes transporteuses: Elles servent au transport des minerais par
la construction des bandes transporteuses.
-3-
Mais en pratique, le choix de la forme et des dimension de la galerie dépend d’un
certain nombre de facteurs:
- L’utilité de l’excavation;
- … etc.
Pour une galerie ou un tunnel, nous avons les concepts suivants (figure 1.2):
- La voute;
- Les parements;
- Le radier;
- Le toit;
- L’extrusion.
-4-
5. Techniques de creusement souterrain
On distingue de types de méthodes de creusement:
-5-
Figure 1.4. Haveuse pour roche dures et abrasives (Rc > 120 MPa).
Les mineurs continus sont très productifs et fiables dans les travaux
d'exploitation minière continue.
Figue 1.5. Mineur boulonneur, pour roche pour mines de charbon souterraines et autres
matériaux tendres.
-6-
- Brise-roche hydraulique: Le creusement de tunnels avec des brise-roche ou des
fraises hydrauliques est une méthode courante lorsque le forage et le dynamitage
sont interdits, limités ou économiquement impossibles, par exemple pour les
tunnels courts (figure 1.6).
- Pelle rétro de chantier: Elle s'enfonce à l'intérieur du tunnel afin de nettoyer les
débris de roches présents sur le couronnement et la face verticale et achève la
coupe à l'aide du marteau hydraulique (figure 1.7).
-7-
b. Abattage en pleine section
- Tunnelier (Tunnel boring machine TBM): Un tunnelier est une machine permettant
d'excaver des tunnels dans des sols et des roches variées allant du sable au granite. Pour
les percements d’un diamètre inférieur à 1,8 mètres ces machines sont appelées
microtunneliers. Les tunneliers classiques de grand diamètre, à attaque globale,
progressent dans le terrain sous l’action de vérins de poussée disposés à l’abri du bouclier
entre la tête de forage et les anneaux de soutènement fixées mis en place successivement
au fur et à mesure de l’avancement.
-8-
Figue 1.9. Tunnelier à
bouclier.
-9-
Le tunnelier a comme avantage de limiter les perturbations dans la roche environnante
et de produire une paroi de tunnel lisse.
Les tunneliers ont été utilisés depuis les années 1950s pour la construction de divers
tunnels pour des projets miniers à des fins d'accès, de transport des minerais et des rejets,
de drainage, d'exploration, d'approvisionnement en eau et de détournement d'eau. Toute
perception simplifiée que les tunneliers ne peuvent pas être utilisés pour des projets
miniers est fausse.
8. Souténement 1. Traçage du
plan de tir
primaire
7. Purge 2. Forage
5. Ventillation 4. Minage
(aérage) (tir)
Figure 1.10. Cycle des opérations minières dans le creusement des galeries.
Cette méthode est adaptée à une roche saine et homogène aux caractéristiques
géotechniques élevées. L’abattage à l’explosif nécessite la perforation préalable de trous
de mine (constituant la volée) à l’aide de marteaux perforateurs (robots de foration
-10-
assistés par ordinateur permettant une automatisation intégrale des opérations). Après
excavation, la galerie est généralement renforcée par un soutènement provisoire à
l’avancement des travaux, puis définitif lorsque l’ouvrage est entièrement creusé (figure
1.10).
Le choix du soutènement provisoire est fonction de l’état des parois, suite aux
dégradations provoquées par les tirs d’explosifs et aux déformations liées aux
phénomènes de décompression du terrain. Cette méthode sera détaillée en chapitre
3.
-11-
Dans la figure 1.11, le diagramme comporte en abscisse la valeur de la résistance à la
compression (1 à 300 MPa) et en ordonnée la fracturation exprimée en valeur du Rock
Quality Designation (RQD) mesurée sur carotte (voir chapitre 2), ou à partir de l'indice
de continuité (Ic). Où (vlm) est la vitesse de passage d’une onde ultrasonore mesurée sur
échantillon, et (vlc) la vitesse calculée à partir de la composition minéralogique.
-12-
Chapitre 2: Comportement des terrains autour d’une
excavation minières souterraine
1. Introduction
Les roches sont des géomatériaux possédant une cohésion (C ≠ 0) et une résistance à
la compression simple Rc > 20 MPa.
Certaines roches, telles que les marnes à faible teneur en CaCO3 ou les granites très
fracturés et altérés, sont inclassables. Leur comportement, au cœur de la recherche, n’est
ni celui d’un sol ni celui d’une roche classique. Tout est affaire de compromis.
La rhéologie d’une roche est fortement liée à son degré de fracturation, ce qui n’est
pas le cas d’un sol.
La mécanique des roches est une discipline qui étudie le comportement des massifs
rocheux dans leur milieu naturel, ou lorsqu’ils sont sollicités par des ouvrages ou par des
travaux d’exploitation (souterraines ou à ciel ouvert) des matériaux solides ou des fluides
(eau, pétrole, gaz).
-13-
2.1. Les discontinuité
Tout massif rocheux, quelque soit son histoire et sa localisation, possède des
discontinuités. Celles-ci peuvent être prononcées, invisibles, cimentées ou bien ouvertes.
a. Les diaclases
Ce sont des fractures de la roche, issues d’une rupture par compression, traction ou
cisaillement liée aux mouvements tectoniques.
Les deux parties de la roche qui se sont constituées n’ont cependant pas bougé.
-14-
b. Les failles
Ce sont des fractures identiques aux diaclases mais qui ont entraîné un mouvement
relatif des deux parties de la roche encaissante. Un glissement a donc eu lieu le long de
cette faille.
Ce sont les joints séparant deux couches d’époques et (dans les roches sédimentaires)
de conditions de dépôt différentes.
Chaque couche (ou strate) constitue une « dalle » susceptible de se séparer de ses
voisines.
-15-
Figure 2.3. Joints sédimentaires.
-16-
d. La schistosité
Le plan d’une discontinuité est définit par deux angles (figure 2.5):
-17-
Exemple:
Le relevé des discontinuités commence toujours par des observations sur le terrain,
avec topographie des affleurements.
Une étude de mécanique des roches est donc indissociable d’une campagne de
reconnaissances géotechnique basée sur des sondages carottés ou des photos internes au
forage.
N.B:
-18-
• La palette de briques ou de parpaings à trois familles de joints continus et non décalés.
• la zone broyée, au sein de laquelle la direction des surfaces de cisaillement est très
dispersée, et qui contient souvent des inclusions dures en forme d’amande. L’étude de ce
type de massifs est difficile.
Figure 2.6. Famille des discontinuités : (a) Palette de briques ; (b) Empilement des
dalles mines ; (c) Zone broyée.
On conçoit aisément qu’une faille lustrée dont les épontes* sont parfaitement lisses
sera plus dangereuse du point de vue de la stabilité qu’une diaclase calcifiée et recimentée.
-19-
Figure 2.7. Essai de scisaillement sur roche.
L’essai est réalisé avec une discontinuité présente dès le début de l’essai.
La figure ci-contre donne les résultats généraux d’un essai de cisaillement ainsi que
le modèle couramment associé.
– Cas des contraintes normales faibles: On remarque que le déplacement n’est pas
uniquement transversal, il existe aussi une composante normale (due au frottement
sur la surface de discontinuité). Il s’agit de la « dilatance ».
τ = σ.tan(φ + i) (2)
i: angle de dilatance;
-20-
– Cas des contraintes normales fortes: la dilatance est empêchée et il faut cisailler
les aspérités avant de pouvoir enregistrer un déplacement significatif.
τ = C + σ.tan φ (3)
La dilatance (ou augmentation de volume lié à un cisaillement) est engendrée par les
mouvements relatifs entre masses rocheuses.
Par exemple, un bloc de roche qui semble susceptible de tomber sous son seul poids-
propre peut très bien rester en place et être stable si on intègre le phénomène de dilatance.
Le rocher se bloque de lui-même et rien ne tombe: c’est souvent ce qui est observé
dans la nature.
Un massif rocheux, au même titre qu’un sol, peut contenir une grande quantité d’eau
sous forme de nappe phréatique, captive ou libre.
-21-
l’efficacité du soutènement et autres incertitudes géologiques, géotechniques ou
géomécaniques.
Les ingénieurs, les ouvriers et les usagers et les riverains de l’ouvrage s’exposent à
différents risques dont les impacts peuvent être considérables sur la sécurité des personnes
et des biens.
3.1. Effondrements
Les effondrements représentent une menace concrète sur la stabilité des ouvrages
souterrains, notamment pendant la phase de construction (figure 2.9). Les effondrements
peuvent être liés directement à une évolution du comportement du terrain encaissant ou à
-22-
une défaillance mécanique du système du soutènement. Dans les ouvrages situés à faible
profondeur un effondrement se produisant dans le tunnel peut remonter jusqu’à la surface
et engendrer des dégâts conséquents.
On appelle montée de cloche de fontis un vide qui progresse (figure 2.10) vers la
surface (suivant une cheminée pseudo cylindrique dont le diamètre est proche de celui de
l'effondrement initial) par ruptures successives des terrains surmontant le vide initial.
3.2. Désordres
Les désordres ont des conséquences moins graves que les effondrements. On
distingue alors, les désordres les plus fréquents suivants:
- Les éboulements;
- Les fissurations;
- Le soulèvement de radier;
Afin d’évaluer les risques de désordres, Boscardin et Cording (1989) proposent une
relation qui classifie les dommages selon plusieurs catégories en fonction du degré de
-23-
sévérité des dégâts et l’extension des dommages. Le tableau 2.1 donne les classes de
désordres selon Boscardin et Cording.
Tableau 2.1. Relation entre la classe des désordres et l’extension critique (d’après
Boscardin et Cording, 1989).
0 Négligeable 0 - 0,05
-24-
3.3. Tassements en surface
Les règles empiriques concernent tous types d'observations mais portent la plupart du
temps sur les conditions de venue au jour des désordres et sur leur géométrie. Elles
permettent en effet de traduire des phénomènes complexes faisant intervenir de nombreux
paramètres. Une des expressions les plus simples de ce type de loi peut, par exemple, être:
« les carrières de gypse de la région parisienne sont vouées inéluctablement à une
dégradation et génèreront, à terme, des désordres en surface quelle que soit leur
profondeur d'exploitation ».
Les analyses menées depuis 50 ans sur de nombreux cas d'effondrements, survenus
principalement en sites miniers, ont conduit à déterminer de façon empirique une valeur
seuil du rapport entre l’extension maximale de la carrière (Q) et la hauteur du
recouvrement (H), au-delà duquel ce phénomène d'effondrement généralisé est
susceptible de survenir.
-26-
Figure 2.12. Schéma théorique d'un fontis circulaire.
D'un point de vue pratique, cette extension maximale est approchée de façon
satisfaisante en appliquant un angle de déstabilisation à compter du mur de la carrière
(figure 2.13). Cet angle α est déterminé selon les contextes régionaux. Il est généralement
compris entre 20° et 45°.
∆𝐻 = 0,6 × 𝜏 × ℎ (5)
-27-
avec
-28-
a. Méthode de l’aire tributaire
La contrainte verticale théorique moyenne σn exercée sur les piliers d'une zone type
de la carrière est fonction du poids des terrains sus-jacents et du taux de défruitement de
la carrière dans cette zone, elle est obtenue par :
.
𝜎 =( )
(6)
avec:
N.B :
Figure 2.17. Schéma récapitulatif des contraintes appliquées à une dalle de toit.
Les modèles décrits ci-après s'appliquent dans le cas d'un ciel composé d'une dalle
d'épaisseur (e) minimale 0,5 m, non fracturée verticalement et pour des matériaux ayant
-30-
une structure stratifiée (matériaux sédimentaires). Ils prennent en compte un phénomène
de décollement et de flexion du ciel.
Modèle de plaque
Le modèle de plaque posée sur 4 appuis simples simule correctement les phénomènes
rencontrés lors du croisement de deux galeries.
Pour le cas particulier d'une dalle carrée (de côté L) d'épaisseur e (avec e<<L), la
valeur théorique de la contrainte développée dans la fibre inférieure de la dalle au centre
de celle-ci est égale à:
𝜎 é = (8)
avec:
Modèle de poutre
Le modèle de poutre encastrée s'applique plus particulièrement dans le cas d'une salle
rectangulaire ou d'une galerie isolée. Il peut également être appliqué à l'intersection de
deux galeries en comparaison du modèle précédemment décrit (il convient alors de
prendre en compte la valeur calculée la plus défavorable).
-31-
q: Contrainte unitaire appliquée sur la poutre (kPa).
𝜎 é = (9)
N.B:
- Si l'on considère que la plaque (ou la poutre) est décollée du banc supérieur et
qu'elle n'est soumise qu'à son propre poids:
𝑞 = 𝛾. 𝑒 (10)
𝑞 = 𝛾. 𝑒 (11)
-32-
calculer la hauteur de montée d'une cloche de fontis (S) et donc de déterminer la
probabilité que le désordre atteigne la surface (figure 2.7).
𝑆= ( )
(12)
Avec :
-33-
Tableau 2.2. Valeurs indicatives de coefficient de foisonnement.
( )
𝑆= ( )
(13)
avec:
Ri: Rayon de la base du cône d'éboulis (m), donné par la formule Ri = R + h / tan(δ);
En effet, les incertitudes liées aux coefficients de foisonnement et aux angles de talus
des matériaux sont telles (fourchette de valeurs en fonction de la présence ou non d'eau)
que les résultats peuvent être divergents selon les valeurs retenues. La meilleure
utilisation de cette règle nécessite le calage de ces coefficients sur des mesures réelles.
-34-
l’événement est donc négligeable. Les blocs mobilisés proviennent en général de falaises
ou d’escarpements rocheux bien que la mise en mouvement d’un bloc arrêté dans la pente
soit également possible. Les causes de l’initiation de la chute d’un bloc sont diverses. La
présence de discontinuités au sein d’une falaise ainsi que la géométrie de ces
discontinuités fournissent des éléments importants permettant d’estimer la probabilité de
détachement de blocs et le volume des blocs potentiellement concernés.
Bien que l’instant d’occurrence d’un tel événement est difficilement prédictible,
certaines conditions sont favorables à son initiation. Par exemple, un événement
météorologique (fortes pluies, cycle de gel/dégel...), sismique ou lié à l’activité végétale
ou humaine peut favoriser l’initiation de la chute d’un ou plusieurs blocs. Une fois le
détachement initié, la trajectoire du bloc est fonction d’un nombre très important de
facteurs difficiles à identifier et fortement variables spatialement. Les blocs peuvent
chuter, rebondir ou rouler le long de la pente en fonction de la topographie du terrain ainsi
que des propriétés géométriques et mécaniques locales du sol. La taille, la forme et les
propriétés mécaniques du bloc sont également des facteurs importants.
Mais cette distinction théorique laisse de côté certains types de terrains intermédiaires
comme les marnes ou les molasses qui ne peuvent être considérées comme un assemblage
de blocs, mais que les remaniements ne laissent pas indifférents.
Dans le cas des roches, deux types principaux de rupture peuvent être envisagés:
Dans les tunnels peu profonds où les contraintes initiales sont peu élevées en
général, les ruptures sont essentiellement liées, soit à la circulation d’eau, soit à la chute
-35-
de blocs en surface de paroi en raison d’une conjonction défavorable des discontinuités
naturelles.
Dans les tunnels profonds où les contraintes sont importantes, leur libération entraîne
des déformations angulaires de blocs rocheux les uns par rapport aux autres. Ces
déplacements se traduisent par une « dilatance » de la masse rocheuse, une augmentation
du volume des vides et une diminution de la résistance globale qui peut conduire à une
accélération du phénomène.
Dans les cas extrêmes où la limite de résistance de la roche elle-même est dépassée,
il peut y avoir rupture fragile des blocs par cisaillement.
Dans la plupart des cas, il y a formation d’une zone de roche décomprimée où des
blocs ont tendance à se fracturer en petits éléments inorganisés et à se comporter, à la
limite, de façon analogue à un sol.
-36-
Figure 2.20. Zone de déformation plastique dans les tunnels profonds.
La stabilité d’une excavation souterraine, quelle qu’elle soit, est liée à un phénomène
naturel de réarrangement des contraintes nommé effet de voûte. Il résulte de la
transmission des forces entre les grains en contact.
-37-
Pour bien comprendre l’effet de voûte, il convient de se replacer en situation et
d’examiner l’état de contrainte en des points situés à des distances différentes de la
galerie.
Point A: Situé "à l’infini" par rapport au tunnel, l’état de contrainte (ici supposé
isotrope) n’est pas modifié. Les deux axes représentent les contraintes principales majeure
et mineure (ici identiques) dans le plan;
Point D: A la paroi, la contrainte radiale est nulle (condition aux limites dans le cas
où il n’y a pas de soutènement). En contrepartie, la contrainte orthoradiale est maximum.
C’est l’effet de voûte. Le terrain se "bloque" naturellement comme une arche de pont.
Le calcul (ou plutôt la justification) des ouvrages souterrains est une science
relativement récente.
-38-
programmes de reconnaissances adaptés. Sinon, le raffinement de la modélisation restera
très limité.
La méthode des blocs (ou des dièdres) a pour objectif de définir le renforcement
(ancrage passif ou actif) nécessaire à la reprise des efforts pour maintenir le bloc en place,
que ce soit en voûte ou en parement.
-39-
– Le calcul du coefficient de sécurité dépendant du mode de rupture de l’équilibre;
En 2D, pour des cas simples d’un ou deux dièdres, les calculs peuvent être menés à
la main jusqu’au dimensionnement du boulonnage.
a. Bloc en voûte
Dans ce cas il n’est pas nécessaire de considérer les propriétés mécaniques des
discontinuités pour calculer le soutènement. Les boulons doivent dépasser largement dans
le rocher sain pour assurer un ancrage suffisant (un mètre minimum).
-40-
où
W: Poids du bloc;
Il est important de noter que sur certains chantiers, le boulonage n’a pas suffit à
empêcher la chute du bloc, avec pourtant un coefficient de sécurité de 2 ou plus.
Le chargement des tiges n’est en effet pas simultané et certains ancrages sont plus
sollicités que d’autres. Il convient donc de bien repérer le mode de rupture et de bien
répartir le positionnement des boulons.
b. Bloc en piédroits
Dans ce cas il est nécessaire de connaître les propriétés mécaniques des discontinuités,
en particulier leur angle de frottement et leur cohésion.
-41-
Lorsque la fracture sur laquelle peut glisser le dièdre n’est pas assez cimentée ou
rugueuse, un mouvement s’amorce lors du passage du tunnel.
où
W: est le poids du dièdre incluant éventuellement celui de tous les autres blocs qu’il
supporte ;
C: la cohésion de la discontinuité.
Notons que ces valeurs sont bien souvent difficiles à déterminer et le concepteur devra
alors se référer à la littérature pour obtenir des ordres de grandeur (φ, C, …etc.).
c. Stabilité de bancs
Il s’agit du cas particulier d’ouvrages creusés en direction dans des massifs rocheux
nettement stratifiés horizontalement.
Leur géométrie doit être élancée de telle sorte qu’un schéma de fonctionnement
"poutre sur deux appuis" soit pertinent.
-42-
Figure 2.24. Stabilité des bancs.
Dans la cas représenté dans la figure 2.24, le toit de la galerie est constitué d’un
empilement de poutres au sens de la RDM. On estime simplement la flèche de ces poutres
et on compare les contraintes de traction, de compression et de cisaillement aux
résistances correspondantes.
𝜎 = ²
(16)
Elle doit être inférieure à la contrainte admissible de la roche, d’où l’on déduit la
longueur minimale des boulons:
ℎ≥ (17)
-43-
Soit par ailleurs: φ l’angle de frottement entre deux bancs, T l’effort tranchant de la
section considérée et b la pression de serrage qui doit s’opposer au glissement
(précontrainte rapportée à la surface tributaire).
𝜏 = (18)
𝑇= (19)
et on doit assurer:
𝜎 𝑡𝑎𝑛𝜑 ≥ 𝜏 (20)
Finalement on obtient:
𝜎 𝑡𝑎𝑛𝜑 ≥ (21)
.
-44-
Chapitre 3: Creusements des excavations horizontales
et inclinés.
1. Introduction
La conception d’une galerie part de son utilité. Nous avons donc les galeries de:
• Transport de minerai;
• D’accès ou de raccourci;
• D’exhaure;
• De ventilation;
• …Etc.
Dans les mines, la forme générale consiste en la combinaison d’un demi-cercle et d’un
rectangle appelée forme voûtée.
3. Machines de forage
Le forage s’effectue actuellement avec des équipements miniers semi-mobiles
appelés Jumbos.
Il en existe des Jumbos à un seul bras, deux et trois bras de forage utilisés selon les
dimensions des galeries à creusées.
-45-
Figure 3.1. Jumbo à trois bras.
-46-
Figure 3.3. Jumbo à bras plus élevateur.
Les charges spécifiques sont telles qu’un départ à 1 kg d’explosif est acceptable. Elles
peuvent aller jusqu’à 2 kg au mètre cube, et même au-delà.
Les trous de mine chargés d’explosif ne doivent pas être minés au même instant.
Dépendant du fournisseur, les retards utilisés dans le creusement sont soit court SP,
ou long LP.
Les LP permettent un long étalage des matériaux minés, ce qui n’est pas du tout
avantageux pour les opérations ultérieures: les opérations de chargement et transport.
Tandis que les SP ont pour désavantages les effets arrière sur le contour des galeries.
-47-
4.2. Retards électroniques
L’électronique permet d’avoir des bons résultats d’un point de vue contrôle des
contours, de la granulométrie, et de la séquence des trous.
L’inconvénient majeur est le coût de minage qui est plus élevé que dans les autres
types.
• La géologie;
• L’expérience de l’ingénieur des mines chargé du minage ainsi que des équipes de
forage et de minage.
Il est à noter que le forage des gros du trou du bouchon se font en deux temps, le
forage des trous de mine, suivi de l’alésage au diamètre des gros trous du bouchon.
-48-
5.3. Le nombre de trous à forer
Il est en rapport avec la superficie à miner, ainsi que la maille de forage
Lors du creusement d’une galerie, l’explosif ne dispose initialement que d’une surface
libre, le front de galerie.
Pour résoudre ce problème de surface libre, d’autres surfaces libres doivent être
créées.
Elles peuvent être créées mécaniquement en creusant une saignée dans le massif
rocheux. Ceci est beaucoup plus utilisé dans les roches tendres à moyennes comme le
charbon.
Les surfaces libres sont principalement créées en forant des trous de gros diamètre
(100 à 150 mm) en rapport avec les trous de mines, et en diminuant les distances des trous
de mine avoisinant ces gros trous non-chargées dans une zone appelée Bouchon.
5.5. Bouchon
Comme décrit précédemment, le bouchon est la zone de la galerie qui doit créer une
seconde surface libre pour améliorer les résultats de minage.
Les bouchons à trous parallèles donnent un avancement par tir plus grand que les
bouchons à trous inclinés.
Ils sont à être utiliser dans le développement des mines et les constructions des tunnels
pour lequel l’avancement est primordial.
Les bouchons à trous inclinés sont utilisés dans les cas où les bouchons à trous
parallèles ne peuvent être forés, par exemple aux premiers tirs des galeries se retrouvant
dans une déviation, un carrefour, ou un change brusque de direction de telle sorte que
-49-
l’engin de forage ne puisse être bien positionné pour opérer convenablement en forant
selon l’axe longitudinal de la galerie.
Cette place ne peut être dans la roche la plus tendre, ni la plus dure, ni un endroit
fracturé, ni en lieu et place des strates, si possibilité il y a.
Le bouchon cylindrique est le plus fréquemment utilisé dans le creusement des tunnels
et des galeries, quel que soit leurs dimensions.
Il est constitué de un ou deux trous non chargés vers lesquels les trous chargés se
briseront à successivement.
Le bouchon cylindrique est réalisé généralement par la méthode des quatre carrées »
(figure 3.5), car elle est facile à tracer et à exécuter.
Tel que :
a = 1,5 D (22)
a : la distance entre le centre du gros trou et celui du trou de mine dans le premier
carré;
-50-
D : le diamètre du gros trou vide.
Tableau 3.1. Paramètres de conception de bouchon par la méthode des quatre carrés.
1 a = 1,5 x D W1 = √2 x a
2 B1 = 1,5 x W1 W2 = √2 x W1
3 B2 = 1,5 x W2 W3 = √2 x W2
4 B3 = 1,5 x W3 W4 = √2 x W3
Il est conseillé de partir d’un gros trou, puis deux, trois, quatre, cinq, …etc. en fonction
des résultats d’avancement réalisés.
-51-
Pour la conception du plan de tir, un diamètre fictif sera pris en compte tel que :
𝐷 = √𝑛 × 𝐷 (23)
Avec:
D : Diamètre fictif du gros trou à prendre en compte pour la conception du plan de tir;
5.9. Minage
L’explosif est rempli jusqu’à une profondeur de 2/3 de la profondeur du trou, le tiers
restant libre.
Le placement des retards est d’une importance capitale car toute la fragmentation
repose sur elle.
1. Le bouchon
2. L’élargissement
3. Les parements
4. Le toit
5. Le radier
-52-
Figure 3.6. Ordre du minage.
6. Plan de tir
Le plan de tir est le plan général obtenu en additionnant le plan de forage et le plan de
minage.
Un tableau récapitulatif comportant les trous des différentes parties du plan de tir, leur
nombre, leur diamètre, le type d’explosif, la colonne chargée, le type de bourrage, la
colonne bourrée, les relais ainsi que leurs numéros sont écrits sur le rapport final de
minage.
× × ×
𝑄= (24)
-53-
avec:
d : Densité de l’explosif;
-54-
Chapitre 4: Matériaux de soutènement.
1. Introduction
Lors de l’exploitation, les mineurs sont directement exposés à des terrains
potentiellement instables au voisinage des fronts de taille, ce qui nécessite des travaux de
soutènement afin d'assurer la sécurité des excavations pratiquées dans les roches et dans
le sol. Les risques les plus connus sont l’effondrement, chute de pierre, glissements de
terrains. La consolidation des strates et la stabilisation des talus s'appliquent autant aux
mines souterraines qu'aux mines à ciel ouvert. C'est pour cela que dans une mine
souterraine il a été important de définir les techniques ou les méthodes de stabilisations
en vue de stabiliser les parois de celle-ci et cela dans le but de rendre la vie sauve.
2. Le bois
Un boisage est un soutènement qui est monté entre deux murs d’un gisement incliné
(semi-dressant). Pour l’utilisation comme boisage, habituellement les bois d’une longueur
de plus de 4 ne sont pas disponible. Prenons en considération tous ces paramètres, une
méthode connue sous le nom de boisage a été conçu, ce qui veut dire une méthode
d’extraction qui est applicable pour les corps minéralisés dressant mince avec des murs
faibles requérant un soutènement sous la forme de boisage.
Les systèmes d’exploitation ouverts et soutenus sont applicables pour l’extraction des
gisements de toute forme, dimensions, et épaisseur. Mais le système de soutènement, sans
remplissage et avec l’utilisation de bois, est utilisé pour exploiter les gisements allant
jusqu’à 4 m d’épaisseur, rarement plus. Ceci est dû au fait qu’à part l’indisponibilité des
longs bois, comme mentionné ci-haut, le boisage dans les corps minéralisés dressant sans
remplissage, est compliqué. Avec l’augmentation de l’épaisseur, ça devient pratiquement
impossible particulièrement dans le cas des murs rocheux faibles.
-55-
Figure 4.1. Boisage.
Le système est caractérisé par l’utilisation régulière de boisage dans les chambres et
aussi aux ouvertures faites dans les roches stériles. Les conditions suivantes sont
souhaitables en général, pour l’application du boisage:
- Forme du gisement;
- Pente du gisement;
3. Les boulons
Le principe de cette technique est d'armer et de rendre cohérent la masse rocheuse en
ciel pour la rendre capable de reporter le poids des roches sur les piliers ou sur les flancs
des galeries. C'est notamment le cas d'un toit lié en bancs horizontaux. On utilise des
boulons métalliques ou des boulons en fibre de verre.
Les boulons exercent un rôle de consolidation des terrains décomprimés. Parmi ceux-
ci, une distinction doit être faite entre:
-56-
- Les cas où l’épaisseur des terrains plastifiés (comme conséquence du réajustement
tensionnel provoqué par l’excavation) est inférieure à 2 m, qui peuvent être
assimilés à des cas particuliers de suspension d’une couche rocheuse à une autre
plus résistante (figure 4.2).
-
-57-
- Les cas où cette épaisseur dépasse les 2 m, où l’excavation est soutenue par des
boulons qui sont complètement ancrés dans des terrains plastifiés. Dans ce cas,
l’effet du boulonnage se concrétise en formant un "arc de roche plastifiée" autour
de l’excavation (figure 4.3).
Le placement des boulons peut être réalisé très près du front de taille et donc très
rapidement avec l’avancement de celui-ci. Les perforatrices pour les tirs aux explosifs
peuvent être utilisées pour forer les trous pour boulons, en permettant une grande
souplesse (peuvent être tournées de 90o par rapport à l’axe du tunnel).
Une maille en acier est souvent placée en combinaison avec les boulons d’ancrage, et
ceci de deux manières principalement (figure 4.4). De même, ce type de soutènement est
aussi souvent combiné avec la technique du béton projeté (figure 4.5).
Figure 4.4. Maille placée directement derrière la plaque d'ancrage (A) ou derrière une
plaque secondaire pour les boulons déjà placés (B).
-58-
Figure 4.5. Détails de l'application de béton projeté en combinaison avec les boulons
d'ancrage.
Le choix entre les deux types de boulons, à ancrage ponctuel ou continu, c’est-à-
dire: par adhérence ou par friction (ancrages mécaniques), est essentiellement lié à la
nature du terrain (figure 4.6).
-59-
4. Béton projeté
L’utilisation de béton projeté comme mode de soutènement en souterrain s’est
considérablement développée au cours des dernières années. Utilisé près du front, seul ou
en association avec le boulonnage et/ou les cintres légers, il constitue ce que l’on appelle
la méthode de construction avec soutènement immédiat par béton projeté et boulonnage
et qui est également connue sous le nom de nouvelle méthode autrichienne (NMA).
Le béton projeté présente l’avantage de constituer une peau continue qui protège le
terrain des altérations dues à l’air et à l’humidité, et qui obture les interstices. Le
confinement généralisé qu’il procure permet de limiter la déformation et d’éviter la chute
des caractéristiques mécaniques du terrain qui résulte obligatoirement d’un desserrage
trop important. Comme le boulonnage auquel il est souvent associé, il est également
efficace dans le cas de grandes portées. Plusieurs conditions cependant doivent être
remplies pour permettre l’emploi du béton projeté :
- Le découpage du rocher doit être assez précis pour que la coque de béton projeté
présente une surface à peu près régulière ;
- Le terrain doit présenter une cohésion minimale telle que la cavité demeure stable
pendant la durée nécessaire à la projection du béton ;
Dans le cas de très fortes contraintes initiales (forte couverture) et lorsque le terrain
présente un comportement plastique, les déformations de convergence indispensables à
l’obtention de l’équilibre sous la pression de confinement, dont est capable le
soutènement, risquent d’être incompatibles avec la déformabilité du béton.
-60-
- Seule la quantité d’eau nécessaire à l’hydratation du ciment est ajoutée à la sortie
de la buse : le rapport E/C reste faible, ce qui limite le retrait du béton.
-61-
b. Par voie mouillée
La propulsion du mélange mouillé est assurée soit par air comprimé (le flux est dilué),
soit par action d’une pompe à béton (le flux est dense). La vitesse de projection
relativement faible donne lieu à plusieurs avantages:
- Le silicate de soude (accélérateur) doit être utilisé dans des proportions plus
importantes : diminution des caractéristiques du béton qui ne peut être compensée
que par un dosage plus important en ciment.
-62-
5. Béton et béton armé
Le ciment Portland artificiel (CPA) peut être éventuellement utilisé dans les terrains
secs autres que le trias. Par contre, dès que les terrains sont aquifères, on doit faire des
analyses systématiques pour définir le pH des eaux. Dans les cas courants, on choisira le
ciment de haut fourneau (CHF) ou le ciment de laitier au clinker (CLK). L’emploi du
ciment sursulfaté est réservé au contact d’eaux fortement séléniteuses. Le dosage variera,
pour les radiers non armés de 160 à 200 kg/m3 jusqu’à 400 kg/m3 pour les revêtements
armés ou non.
Dans les cas les plus fréquents, on recourt au bétonnage mécanique, soit à l’aide d’un
appareil à transport pneumatique, soit, plus volontiers, au moyen d’une pompe. Dans tous
les cas, on placera l’engin de transport à proximité du lieu d’utilisation (100 à 300 m).
6. Le métal
Les cintres peuvent être définis comme des ossatures le plus souvent métalliques en
forme d’arcs ou de portiques disposés dans la section transversale de l’ouvrage et dont
les membrures sont placées le long des parois où elles sont calées, soit directement, soit
par l’intermédiaire d’une peau de blindage. Il s’agit d’une structure rigide de caractère
discontinu, qui n’est pas liée de façon intangible au terrain. Suivant le rôle qu’ils assurent,
les cintres peuvent être utilisés comme:
- Protection contre la chute des blocs isolés sans chercher à s’opposer aux
déformations d’ensemble;
Du point de vue de la façon dont ils sont constitués, il existe différents modèles de
cintres (figure 4.10).
-63-
Demi-arc Profil à segments Profil large
- Des cintres plus légers (en Th, UPN): pour petites sections.
- Leur mise en œuvre est facile et ils possèdent une très bonne compatibilité avec
le béton.
- Ils sont déconseillés lorsque des fortes sollicitations sont prévisibles avant que le
béton projeté puisse remplir son rôle.
-64-
(a) (b)
(c)
Figure 4.11. Types de cintres métalliques: (a) Type Th; (b) Type H; (c) Type réticulé.
Les plaques de blindage sont mises, jointives ou non, entre les cintres et le terrain.
Elles peuvent parfois être tenues par des boulons, ou peuvent même être liaisonnées entre
elles, les cintres ne servant qu’à leur montage et étant ensuite retirés après remplissage
entre plaques et terrain.
Les plaques (plus épaisses que celles de blindage), barres ou rails, sont foncées dans
le terrain, préalablement à son excavation (pré-soutènement).
-65-
Figure 4.12. Types de Blindage et enfilage.
-66-
7. Les pierres
Les blocs en pierres sont superposés afin d’ériger des colonnes qui soutiennent le ciel.
Ce type de soutènement se rencontre principalement dans les carrières.
-67-
Chapitre 5: Creusement des fouilles.
1. Introduction
Selon le mode d’exécution des ouvrages souterrains, on peut distinguer deux types
de tunnels creusés en fouille (figure 5.1):
- Les tunnels ou cavités construits à ciel ouvert;
- Les tunnels construits par éléments immergés.
(a) (b)
Figure 5.1. Ouvrages souterrains exécutés en fouille: (a) Tunnel construit à ciel ouvert ;
(b) Tunnel immergé.
-68-
2. Paramètres des fouilles et mode de creusement
Une fouille est caractérisée par sa profondeur, sa largeur et la pente de ses talus
(figure 5.2).
La méthode de travail:
La pente de talus:
Les valeurs des pentes des talus en déblai sont présentées dans le tableau 5.1 ci-
dessous. Ces valeurs sont en fonction de la nature du terrain et de son état hydrique.
Le choix de l’engin d’excavation et le rendement de production.
-69-
Tableau 5.1. Valeurs de pentes des talus en déblai.
3. Creusement à l’explosif
Cette technique permet de réaliser des excavations de faible section et de grande
longueur en terrain rocheux.
Les charges explosives permettent à la fois d’assurer le foisonnement et la
fragmentation des matériaux et de respecter la géométrie définitive de la tranchée. Les
trous de mine extérieurs sont parallèles à la paroi définitive à 30 cm environ de cette
dernière (figure 5.3).
Dans le cas de fouilles de faible largeur, les trous de mine sont disposés en zig-zag.
Afin de limiter les vibrations engendrées par le tir dans l’environnement, les
détonations des charges sont échelonnées dans le temps: un minimum de 50 ms est
alors nécessaire entre les rangées.
Pour obtenir un foisonnement suffisant de la roche (soit une augmentation de
volume de 25 % environ) facilitant son chargement, la quantité d’explosifs doit être
augmentée par rapport à celle utilisée pour le tir en gradins, pour contrebalancer le
confinement particulièrement élevé des matériaux.
La consommation en explosifs varie entre 0,6 et 0,9 kg/m3 contre 0,3 à 0,6 kg/m3,
-70-
soit une augmentation de 50 à 100 %.
-71-
poussières par projection d'eau est interdit et la pulvérisation d’un fin brouillard au
niveau des outils peut s'avérer inefficace.
La majorité des engins de chantier réalise leurs opérations selon une séquence
d’opérations répétitives que l’on appelle « cycle ». Un cycle produit une certaine
quantité de travail dans un certain temps.
La production théorique des engins s’exprime le plus souvent en volume de sol (ou
roche) creusé et déplacé par unité de temps; soit en mètre cube foisonné à l’heure
(m³/h). Cependant, le temps effectif de travail est de l’ordre de 45 à 55 minutes par
heure réelle.
Les parois des fouilles quelque soient en excavation ou en butté, sont aménagées
de façon à éviter tout risque déboulement ou de glissement intempestif.
Plusieurs techniques mises en œuvre:
- Le blindage et étaiement;
- La protection des talus à l’aide d’un film en matière plastique;
- Le drainage des eaux d’infiltrations.
-72-
avec:
C: Cohésion du sol;
𝛾: poids volumique du sol.
Pour la mise en place du blindage, il faut tenir compte des surcharges permanentes
et des vibrations produites par les véhicules, engins de terrassements et matériel de
chantier.
- Le blindage doit être adapté à la nature du terrain;
- Un drainage doit être prévu en cas d’infiltration ou de ruissellement;
- L’accès à la tranchée est interdit avant la mise en place du blindage par le
-73-
personnelaffecté à cette tâche.
Les espaces vides entre le blindage et le terrain sont à remplir ou à boucher. Les
parties frontales des tranchées doivent également être protégée par un blindage jointif.
-74-
Figure 5.6. Tubage.
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Figure 5.8. Schéma d’exécution des parois berlinoises.
-76-
Figure 5.10. Palplanches.
-77-
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