Brevet FR2718167A1 — publié le 19951006

DESCRIPTION Le présent brevet concerne l'invention d'un procédé de comblement de vides souterrains tels que les carrières abandonnées, galeries de mines et tout autre vide d'ouvrage, qui permet de maitriser les quantités et la progression des matériaux injectés à l'aplomb des cavités à combler. Durant des siècles l'extension des constructions dans les agglomérations urbaines a représenté une demande continue pour des matériaux de carrières souterraines qui étaient extraits au plus près des chantiers ; l'explication tenait simplement au coût final des matériaux extraits et donc des constructions elles-mêmes. Pour des raisons à la fois techniques et économiques, il n'y avait pas d'obligations imposées aux carriers exploitant en souterrain de combler totalement les vides ainsi créés, hormis par bourrage partiels avec des déchets de pierre ou en laissant çà et là des piliers "à bras" et "tournés" faiblement dimensionnés. L'extension des villes a fait que la demande en terrains constructibles s'est portée sur les zônes d'anciennes extractions souterraines. Celles-ci subissent avec le temps une dégradation qui se traduit par des effondrements souterrains occasionnant en surface des mouvements de terrains (fontis) et/ou des détériorations sur les constructions existantes. On a alors recours à des techniques de confortation des vides. Par aileurs il est devenu obligatoire, pour obtenir tout nouveau permis de construire, de conforter ces vides souterrains existants. En matière de confortation souterraine, on ne connaissait autrefois que la technique de confortation par piliers massifs ou maçonnés ; tous les matériaux étant récupérés in situ ou descendus par des puits créés à cet effet. C'est la méthode "classique" ou à l'ancienne qui reste encore fréquemment utilisée. Elle présente les inconvénients - d'être coûteuse - de laisser des vides, non comblés entre les piliers, qui doivent rester accessibles et visitables par les services compétents (Inspection Générale des Carrières à Paris) qui sont tenus de contrôler périodiquement l'état des massifs de fondations. - d'être obligé de pénétrer à l'intérieur des carrières ce qui, dans certains cas, est impossible pour des raisons de sécurité. De plus, elle s'applique difficilement aux carrières de gypse exploitées autrefois en cathédrale". Le développement des machines modernes de forage à grand rendement a ouvert la voie aux méthodes d'injection totale des vides existants. Cette technique est devenue maintenant plus répandue. Quatre sortes de travaux sont réalisés successivement 1) reconnaissance par forage visant à s'assurer de la présence éventuelle d'anciens vides en sous-sol. 2) injection de toute la masse à combler avec un coulis, mis en place gravi tairement ou sous pression à la pompe, à travers un forage tubé. 3) clavage sous pression des vides résiduels avec un coulis très fluide. 4) contrôle de l'efficacité des comblements par forages de vérification. La technique par injection permet de conforter les vides à partir de la surface, sans chercher à y accéder par un puits à créer. Mais il existe un inconvénient constant quant à la maîtrise de l'étendue des injections à l'intérieur des limites du terrain faisant l'objet des travaux de confortation commandés par le propriétaire du terrain. C'est le problème de la construction préalable de barrages, murs-masques ou des injections localisées destinées à contenir les coulis de remplissage dans l'emprise à traiter. On trouve ainsi deux brevets déposés en France n 2529192 et 2589388 revendiquant une formule de coulis avec accélérateur de prise hydraulique qui nécessite la pose d'un coffrage ou de sacs formant pilier pour contenir le coulis avant sa prise. L'objet de l'invention est un procédé d'injection utilisant des matériaux préparés à forte viscosité permettant de réaliser le remplissage et le clavage des vides en une seule passe et par la même grille de forages, en restant constamment maître de la progression de la masse injectée, c'est-à-dire contrôler son étendue à partir de chaque point de forage tubé. La maîtrise de l'avance de la masse dans les zônes à vides francs continus a pour résultat de réduire le coût des travaux de foration et, corrélativement, de revoir à la baisse le nombre des forages à exécuter. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on a mis au point un matériau de rhéologie spécifique caractérisé par les paramètres suivants - Une viscosité L'essai d'affaissement au cône d'Abrams est inférieur à 5 cm, de pré férence 1 cm. Pour faciliter la mesure les parois du cône d'Abrams peuvent être lubrifiées avec une émulsion de coffrage. . Consistance La pénétration d'une masse de 4 Kg sur une surface de 12 cm2 de 3 litres de matériau placé dans un récipient cylindrique de 21 cm de diamètre, est comprise entre O et 8 cm, de préférence 2 cm. - Une extrudabilité Le débit d'extrusion du matériau à travers une buse de 8 millimètres en appliquant une pression de 1,5 bar est compris entre 0 et 3 litres par minute, de préférence 0,5 litre/minute. Il est possible de corréler l'analyse d'extrudabilité ci-dessus avec un test simple réalisable sur chantier. - le matériel est constitué d'un tube en PVC de 2,5 cm de diamètre in térieur et 30 cm de long,relié à un entonnoir PVC de 9 cm de diamètre lui-même relié à un manchon de toile ou de caoutchouc de 20 cm de long. - le test consiste à placer dans l'entonnoir 1 litre de matériau frai chement préparé selon les paramètres spécifiés et à exercer une pression manuelle sur le manchon pour en extruder au moins 0,5 litre. Pour obtenir un matériau répondant aux caractéristiques ci-avant, différentes matières premières peuvent être utilisées dont la liste ci-après n' est pas exhaustive. La composition du matériau par m3 peut comporter entre autres - Les cendres volantes, sous-produit de combustion du charbon, à raison de 0,2 à 1,3 tonne. De légères variations existent suivant leurs origines, notamment la finesse Blaine, la répartition granulométrique et la structure des particules et le besoin en eau. Les quantités pour obtenir la viscosité optimale sont ajustées en conséquence. - Adjuvant de viscosité qui peut être des phyllites de O à 150 Kg, de préférence 30 à 40 Kg ou . des biopolymères type polysaccharides de micro-organismes, celluloses, viscoses, etc... de O à 5 Kg , de préférence 1 Kg. ou . plastifiant réducteur d'eau de O à 10 Kg, de préférence 1 Kg. ou . entraineur d'air, tensio-actif et stabilisant. ou . tout autre adjuvant régulateur de viscosité. - Agrégats homogènes du type sable, sablon, etc ... de O à 2 tonnes. La mesure d'extrudabilité qui caractérise le matériau sera réalisée avant l'ajout d'agrégats de granulométrie supérieure à 2 millimètres. - Liant hydraulique Le liant hydraulique recommandé en injection de carrière est le ciment au laitier type CLK 45. D'autres ciments peuvent être utilisés (CPJ 45, CPA 55) On peut aussi utiliser de la chaux qui fera prise avec les cendres volantes. Les quantités utilisées dépendent de la résistance du matériau recherché, de préférence 150 Kg/m3. - Retardateur ou accélérateur de prise hydraulique. - Eau : de 100 à 700 litres. La quantité d'eau est ajustée de façon à obtenir la rhéologie caractérisée ci-avant. L'originalité du brevet selon l'invention est liée à la rhéologie du matériau d'injection utilisé pour permettre l'avancement de la masse injectée et d'en rester maitre grâce à la progression frontale et circonférentielle avec un angle de talus élevé (45 ). Ainsi, les barrages et murs-masques ne sont plus nécessaires. Une fois injecté sous une pression de 10 à 100 bars délivrée par une pompe à béton, à rotor ou piston, à travers un forage tubé résistant à cette pression, le matériau extrudé forme un cône de diamètre à la base sensiblement équivalent à la hauteur des vides à combler. Ce cône étant formé, le matériau progresse horizontalement formant une masse circonférentielle centrée sur le forage et selon un mur croissant verticalement du sol au ciel de carrière. Ainsi, dès la formation du cône, la masse injectée en pression clave en permanence le ciel de carrière. Par ailleurs, la masse contourne les obstacles comme les anciens piliers et assure le clavage du vide derrière les obstacles. La caractéristique du procédé selon l'invention est d'effectuer simultanément le remplissage et le clavage des vides en une seule et unique passe, par une seule grille de forages. Selon l'épaisseur des vides, on pourra injecter plusieurs jours de suite par le même forage tubé , la reprise d'injection étant rendu possible par l'effet "retard de prise" apporté par les composants tels que phyllites et des adjuvants. Une des réussites du procédé est qu'il est possible, connaissant la structure du vide à combler (vide avec pilier en carrière de gypse, re'seau de galeries en carrière de calcaire) de prévoir la progression du matériau injecté. En effet, les calculs de pertes de charge utilisés en génie industriels s'appliquent. Ainsi il est possible, pour un terrain sous-miné donné, d'optimiser l'emplacement et le nombre de forages à injecter de façon à réduire leur nombre, garantir le clavage entre les masses de matériau injecté dans chaque forage et de contenir les matériaux injectés dans les vides sous le terrain à conforter. Exemples - On a préparé en laboratoire des mélanges durcissables applicables au procédé selon l'invention et on a soumis des échantillons et éprouvettes de ces mélanges à des analyses rhéologiques et à des mesures de résistance en compression d'éprouvettes 16cm/32cm conservées à l'abri de leur couvercle. Exemple 1 - Composition par m3 de matériau Cendres volantes présentant un besoin en eau de 60 % (essai pâte nor male) - Origine : VAIRES-sur-Marne - hiver 92/93 900 Kg . Phyllites marque C2 - Société Française des Bentonites - (phyllites préalablement hydratées) 45 Kg . CLK 45 : 150 Kg . Eau : 400 Kg Exemple 2 - Composition par m3 de matériau . Cendres volantes présentant un besoin en eau de 60 % (essai Pâte nor male) - Origine :VAIRES-sur-Marne - hiver 92/93 900 Kg Biopolymère marque Rhéoflow T3 Rhône-Poulenc ou similaire 1,5 Kg . Ciment CLK 45 150 Kg . Eau : 400 Kg Le tableau suivant indique les résultats de mesures sur les deux exemples de formulation. Consistance Extrudabilité Résistance Affaissement pénétration d'une Buse 8 m/m moyenne au cône masse 4 Kg sous pression compression d'Abrams surface 12 cm2 1,5 bar 2 mois Exemple 1 2 cm 0,3 litre min. 20 bars 5 cm Exemple 2 2 cm 0,6 litre/min., 45 bars i 1 cm La faible teneur en eau des matériaux préparés selon le procédé permet d'obtenir des résistances en compression plus élevées, à dosage en ciment égal. REVENDICATIONS 1) Procédé de comblement contrôlé de vides souterrains caractérisé en ce qu'il utilise des matériaux à fortes viscosité et extrudabilité, injectés par forage pour combler des vides souterrains en une seule passe, sur une seule grille de forages, réalisant en même temps le remplissage et le clavage des vides du fait que la masse de matériau se déplaçant frontalement avec un angle de talus élevé (45) opère un clavage permanent des ciels de carrière. 2) Procédé de comblement contrôlé de vides souterrains selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise un type de matériau préparé en vue de lui conférer - une viscosité mesurée par essai d'affaissement au cône d'Abrams inférieur à 7 cm. - une extrudabilité mesurée par le débit d'extrusion du matériau à travers une buse de 8 m/m sous 1,5 bar de pression, compris entre O et 3 litres par minute. 3) Procédé de comblement contrôlé de vides souterrains selon la revendication 1, caractérisé par le fait que - on garde la maîtrise de la progression de la masse injectée contrôlant ainsi l'étendue du remplissage-clavage jusqu'aux limites du terrain, - connaissant la structure du vide à combler, on peut prévoir par calcul la localisation de la masse du matériau injecté et par là même optimiser le nombre de forages. Matériau pour application du procédé de comblement contrôlé de vides souterrains selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est réglé à une teneur en eau réduite de façon à obtenir une résistance finale en compression plus élevée, à dosage en liant hydraulique égal.