Brevet FR3042535A1 — publié le 20170421

PROCEDE ET APPAREILLAGE DE RECONNAISSANCE DES VARIATIONS DE DENSITE DES TERRAINS ET DE STRUCTURES PAR TELESCOPE A MUONS METHODE GEOPHYSIQUE PAR TOMOGRAPHIE MUONIQUE DOMAINE CONCERNE Le procédé de la présente invention a pour but de mesurer des variations de densité à l'intérieur de terrains au moyen de l'étude de variations du flux de muons suivant une multitude de directions. En particulier, la présente invention se rapporte également à un ou plusieurs plans détecteurs parallèles, qui, installés les uns derrière les autres, constituent un télescope permettant de situer les variations de densité mentionnées dans le procédé de l'invention. La présente invention se rapporte aussi à la mise en oeuvre d'un télescope à muons qui permet de localiser les zones de densité différente et de les quantifier. ÉTAT DE L'ART Actuellement aucune méthode géophysique ne permet de mesurer des variations de densité à l'intérieur de terrains. Différentes méthodes existent qui ne remplissent qu'une partie de ces fonctions : . La gravimétrie et la microgravimétrie mesurent une variation locale de la composante verticale de l'accélération de la pesanteur. C'est une méthode ponctuelle longue, supérieure à la minute où l'appareil de mesure est déplacé à chaque mesure. Même si les variations latérales de masses influent sur cette mesure, celle-ci apporte des informations essentiellement sous la position du gravimètre ; en multipliant les points et en traitant les données on peut avoir une mesure de déficit ou d'excès des masses dans les terrains. C'est une mesure de déformation du champ de la pesanteur ; il faut donc avoir suffisamment de mesures de la déformation de ce champ pour obtenir une me- sure précise de celui-ci et pour, par inversion, localiser et quantifier cette variation de masse. Il faut également que l'excès ou le déficit de masse soit important et pas trop éloigné du gravimètre. La continuité de la prise de mesures n'est pas possible avec une telle méthode car il faudrait laisser en place autant de gravimètres que de points de mesure. 3042535 2 - Les mesures de densité gamma consistent à mesurer le flux de rayon gamma produit par une source radioactive artificielle. Comme la méthode muonique, la méthode gamma est une méthode de propagation caractérisée par le déplacement d'une particule élémentaire. La portée usuelle du rayonnement gamma est décimétrique, ne dépasse jamais quelques mètres et la méthode exige 5 une source radioactive par mesure. La profondeur de pénétration des muons dans la roche stan- dard peut, quant à elle, atteindre l'échelle du kilomètre, et permet d'accéder à de toutes autres profondeurs. A l'heure actuelle, aucune autre méthode de détection de variation de densité, gravimétrie ou densité gamma ne peut être considérée ni de près ni de loin comme l'équivalent d'un télescope à muons permettant de 10 localiser une anomalie de densité à une distance utile en travaux miniers ou de génie civil. - La méthode dite de tomographie électrique est parfois citée comme pouvant détecter des vides ; en fait elle détecte des déformations de champ électromagnétique dans le terrain. Elle ne détecte donc que des variations de paramètres électromagnétiques, pas la densité ; elle a besoin d'une hypothèse secondaire présumant que tel type de caractéristique électromagnétique correspond à un 15 vide. D'autre part, ce n'est pas une méthode de propagation de champ; la notion de trajet y est donc absente et les localisations des variations électromagnétiques ne sont qu'approximatives ; autrement dit, ce n'est pas de la trajectométrie comme le sont les méthodes qui mesurent les propagations de particules (gamma, muons) ou les techniques sismiques. Il existe donc un besoin de développer une méthode géophysique de tomographie muonique et un appa20 reillage réalisant la mesure du flux muonique qui permette de localiser et cartographier une anomalie de densité à une distance utile, notamment en travaux miniers et en génie civil. De plus les méthodes existantes ne permettent pas, lors d'un creusement de tunnel, d'éviter un blocage du tunnelier dans des vides, dans des fontis, ou à la suite de venues d'eau, blocages qui retardent les chantiers parfois de longs mois. 25 De même il n'existe pas de méthode efficace pour contrôler dans les ouvrages d'art les vides, les poches de densité différente, l'état des ferraillages et des tirants de précontrainte. Il existe bien une méthode par mesures de rayons gamma, mais elle est assez difficile à mettre en oeuvre du fait de l'utilisation de sources radioactives de forte activité et des risques d'irradiations inhérents. La méthode radar montre une certaine efficacité mais est insuffisante pour obtenir des dimensions de câble et déterminer des défauts.Comme si- gnalé ci-dessus, il n'existe pas non plus en forages de méthode de diagraphie gamma permettant de mesurer des variations de densité à plus de quelques décimètres. On a également décrit dans le brevet US n° 4 504 438 (12 mars 1985) une analyse similaire sur les rayons gamma et proposé d'utiliser la détection de muons aux mêmes fins, mais en utilisant des chambres d'ionisations à gaz et des fils électriques sensibles. Cette méthode n'est pas utilisable en pratique et n'a pas été mise en oeuvre. Le procédé actuel et l'appareillage proposés sont réellement mis en oeuvre dans un contexte différent pour des applications en surface; l'application géophysique de tomographie muonique 3042535 3 en découle. Les développements décrits en détection de ferraillage et en diagraphies de densité en forage sont des développements de cette application. DESCRIPTION Lorsqu'ils sont utilisés dans la description de la présente invention les termes suivants ont la signification décrite ci-dessous. 5 Poche de densité différente : correspond à des vides, des failles, des poches remplies d'eau ou de matériaux de densité différente de celle du terrain encaissant. Transition entre zones de densité différente : correspond soit à une limite précise entre deux terrains de densité différente, typiquement un contact géologique, soit à des variations progressives de densité dues à des variations de composition du terrain ou à la présence progressive d'éléments extérieurs. 10 Le procédé de l'invention consiste à utiliser des particules élémentaires, les muons, également appelés "électrons lourds", de masse intermédiaire entre celle des électrons et celle des protons, capables de se propager dans les terrains en perdant une partie de leur énergie, et de mesurer leur flux à l'aide de plans détecteurs parallèles, placés les uns derrière les autres, pour former un télescope. Des excès ou des déficits de masse dans le terrain sont ainsi mis en évidence en fonction directe d'une diminution ou d'une aug- 15 mentation du flux de muons. Le procédé de l'invention a principalement pour objet de détecter au moyen du procédé de l'invention et du télescope à muons en tant qu'appareillage de l'invention : - les contrastes de densité entre formations géologiques ; - la recherche de cavités, de poches densité différente, de transition entre zones de densité différente 20 dans un tunnel en construction en avant de ce tunnel ; - la recherche de cavités, de poches densité différente, de transition entre zones de densité différente dans un tunnel en arrière du front de taille et dans des tunnels terminés ; - la recherche de cavités, de poches densité différentes, de transition entre zones de densité différente dans les mines, les carrières, les barrages, les ouvrages d'art et les structures massives telles que 25 certaines structures anthropiques : digues, barrages, ponts, murs de soutènement. La Demanderesse a maintenant trouvé que l'on pouvait détecter en continu les variations de densité des terrains en : (i) détectant en continu le passage des particules de type muons qui se propagent dans les terrains en perdant une partie de leur énergie ; 30 (ii) mesurant avec le système de détection posé au niveau du sol ou en souterrain, et ce en une seule prise de données en continu, les excès ou déficits de masse dans le terrain en fonction d'une diminution ou d'une augmentation du flux de particules ; (iii) localisant ces endroits où l'on constate une augmentation ou un déficit de masse. 3042535 4 Selon le procédé de l'invention, les particules, préférentiellement les muons, sont interceptées par un système de détection dont la conception est telle qu'il peut comprendre un ou plusieurs plans détecteurs parallèles, installés les uns derrière les autres, de manière à constituer un télescope qui permette de situer les variations de densité dans une direction précise. Ce système de détection formant le télescope à muons 5 peut être installé au niveau du sol ou en souterrain, ce qui lui donne un pouvoir de détermination des variations de masse dans les sols en général et plus particulièrement dans les sols où l'étude des variations de densité est importante : tunnels, travaux souterrains en général, mines, carrières, ouvrages d'art, structures massives. Le phénomène mesuré est le suivant : les muons sont produits par la collision des rayons cosmiques pri- 10 maires avec la haute atmosphère terrestre. La figure 1 montre les muons (1) arrivant et pénétrant dans la couche terrestre (2). Pour un observateur terrestre, ils proviennent de toutes les directions de l'espace (isotropie du flux); leur durée de vie moyenne et leurs caractéristiques intrinsèques sont suffisantes pour parvenir à la surface terrestre et pénétrer dans la croûte terrestre sur quelques centaines de mètres. Si l'interaction électromagnétique des muons avec la matière est faible, elle n'est pas nulle ; les muons 15 perdent leur énergie principalement par collisions avec les atomes de la roche, radiations, rayonnement de freinage. Cette perte d'énergie dépend uniquement de la quantité de matière rencontrée, c'est-à-dire de la densité de ces matériaux convoluée avec la longueur de la trajectoire des muons, ce que l'on appelle l'opacité. Celle-ci augmente avec la profondeur, à l'instar de l'opacité à la lumière des océans. Cette plus ou moins grande absorption des muons dans le sol peut être utilisée pour radiographier le sol. 20 C'est le même principe que celui de la radiographie clinique qui donne une image de la densité de l'objet ou du sujet étudié par des rayons X. Dans le procédé de l'invention, diverses techniques de détection par plans ou surfaces détecteurs sont utilisées ; on peut citer le cas particulier de scintillateurs à très haute défmition spatiale et temporelle, dont le rendement et la dimension sont adaptés au but recherché, et en particulier des barreaux de scintillateurs 25 ayant de 1 à 8 cm de large montés en damier. La figure 2 schématise un montage de base composé de ces scintillateurs montés à 90° les uns des autres et superposés. Une horloge de très grande résolution permet de discriminer en moyenne le sens du trajet des muons au travers des panneaux successifs. La Demanderesse a maintenant trouvé qu'en utilisant seulement deux plans détecteurs parallèles disposés 30 l'un derrière l'autre et les espaçant d'une manière adéquate on obtient un télescope permettant de localiser et de quantifier les déficits de masse dans le sol, par densitométrie de contraste, en une seule prise de données continue. Aucune des méthodes connues à ce jour, (cfr. supra) ne permet d'obtenir ce résultat. Il est bien entendu que l'on peut utiliser plus de deux plans détecteurs afin d'augmenter la précision de la 35 mesure, ou travailler avec des surfaces plus complexes. 3042535 5 Le système de détection de l'invention, constitué de plusieurs plans détecteurs forme un télescope à muons comme le montre les figure 2 et 3. La figure 2 représente schématiquement en haut à gauche une couche détectrice constituée de 16 barreaux de scintillateur rectangulaires (1) montés verticalement et en bas à droite de 16 barreaux identiques (1) 5 montés horizontalement. Ces deux couches superposées forment un damier constituant le panneau détecteur à droite (2) donc chaque cellule est parfaitement identifiée en X et en Y, ces deux coordonnées étant celles des barreaux traversés. L'impact d'un muon sur ces barreaux de scintillateurs est caractérisé par une faible perte énergie localisée ainsi en X et Y. Les scintillateurs produisent des photons acheminés par fibres (4) vers le photo-senseur et amplifiés par un photomultiplicateur (4) qui les transforme en impul- 14 électriques. L'ensemble de l'information est transférée ensuite vers l'unité de traitement des signaux (5)- La figure 3 représente une vue d'un télescope en position horizontale constitué par trois panneaux détecteurs (3) montés sur un châssis (4) lui-même monté sur un bâti (5) par l'intermédiaire d'un axe de rotation facultatif (6) permettant de l'orienter. Le trajet d'un muon (1) ses impacts successifs (2) sur les trois pan- 15 neaux détecteurs (3) sont représentés. La figure 4 est une version en deux dimensions de la figure 3, avec (1), (2), (3), les trajets des muons et (4), les panneaux détecteurs et leurs cellules représentées en coupe transversale. Trois panneaux détecteurs et une horloge suffisamment précise permettent de localiser dans l'espace la direction et le sens de propagation du muon sur quelques centaines à quelques milliers de trajets, en 20 fonction de la distance entre les panneaux, qui détermine également l'ouverture du télescope. Selon la présente invention ce télescope est un télescope électronique particulier travaillant sur les muons qui, comme tout télescope, fournit une image de l'objet recherché, image dont l'intensité dépend des caractéristiques de l'objet. Dans le cas présent cette image fournit une représentation précise des variations de masse suivant quelques centaines à quelques milliers de directions. 25 Le télescope de l'invention peut être installé suivant un axe horizontal, vertical ou encore oblique afm de viser les poches ou zones situées à ce niveau ou à un niveau légèrement supérieur ou inférieur. Son acceptance peut être ajustée en adaptant la distance entre les plans détecteurs extrêmes ce qui produit un zoom sur une zone donnée en éloignant les plans ou une vision panoramique en les rapprochant. Ce télescope peut être installé sur un tunnelier ou sur tout engin de creusement en souterrain en auscultant 30 le terrain en continu, aussi bien pendant le creusement que durant les périodes d'arrêt. 3042535 6 APPLICATIONS Auscultation en tunnels à l'avancement du tunnelier ou de la machine de creusement Le procédé et l'appareillage de détection de l'invention permettent d'ausculter des tunnels en construction en installant un télescope sur le tunnelier en train de creuser une galerie souterraine (figure 5). Cette 5 disposition permet d'obtenir en continu des informations sur les anomalies de terrain en face du tunnelier ; elle permet de plus de profiter de la progression du tunnelier qui permet de voir les différentes zones ou poches de densité différente sous différents angles (figure 6). La figure 5 représente un tunnelier au centre en train de creuser un tunnel vers la gauche. On observe en (1), les trajets des muons, en (2) un vide éventuellement partiellement rempli, en (3) le télescope installé 10 suivant un axe horizontal, en (9) le corps du tunnelier qui se translate vers la gauche, en (8) la roue de coupe rotative, en (7) les outils de coupe. La figure 6 montre l'intérêt de la méthode dans le sens où suivant la distance de l'anomalie (1) détectée à une certaine distance l'angle des trajets des muons augmente régulièrement et l'ouverture avec laquelle cette anomalie est vue augmente également. 15 On obtient ainsi des données sur des poches de densité différente ou sur des transitions entre zones de densité différente sous des angles variés comme en tomodensitométrie médicale, technique similaire travaillant également sur la densité et calculant une opacité mais utilisant des particules de moindre pénétration (les rayons X). Le télescope de l'invention permet ainsi de détecter les zones de vide dans l'environnement du tunnelier. 20 En pratique, cela consiste à installer sur le tunnelier un ou plusieurs télescopes à muons les raccorder et les laisser reliés en permanence à la chaîne d'information existant sur le tunnelier, à en sortir et traiter les données en permanence et les renvoyer au pilote du tunnelier suivant deux formes : - un flux permanent des mesures brutes ; - un série d'images sortant du traitement tomographique montrant au minimum des coupes de 25 densité en avant du tunnel et réactualisées à chaque cycle d'avancement du tunnelier. Comme le tunnelier creuse pendant moins de la moitié du temps et que pendant l'autre moitié il est à l'arrêt, pour poser les voussoirs du tunnel ou pour entretien, le traitement tomographique par inversion du signal se fait une fois par cycle de creusement et de pose de voussoir. Cette manière d'opérer convient tant pour la technique de traitement, acquisition des flux muoniques, tunnelier à l'arrêt et en mouvement, que 30 pour le creusement qui travaille et prend ses décisions par cycle d'avancement du tunnelier. Le procédé permet également d'ausculter les puits ascendants c'est-à-dire ceux creusés du bas vers le haut. 3042535 7 Auscultation après creusement ou à l'arrière de la zone de creusement En l'installant en quelques endroits d'un ouvrage souterrain déjà construit, il permet de déterminer si des vides ou des poches d'anomalie ne subsistent pas ou auraient été créés par les travaux de creusement. 5 Comme exemples d'installations après construction de tunnels, on peut citer celles réalisées par l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) et par Géosciences Rennes (GR), en collaboration avec l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) : le tunnel de Tournemire près de Roquefort, le tunnel du Mont Terri en Suisse romande, la galerie de la Croix-Rousse, tunnel urbain de Lyon en cours d'auscultation par l'IPNL, GR et PDS Consult au second trimestre 2015. 10 La figure 7 montre qu'en installant plusieurs télescopes sur un tunnelier on peut résoudre plusieurs problèmes traditionnels des creusements de tunnel particulièrement en zone péri-urbaine. Sur la figure 7 les télescopes sont au nombre de trois : le télescope (5) mesure en avant du tunnelier tel que sur la figure 5 ; le télescope (7) installé en oblique recherche les cavités anthropiques laissées par les anciennes exploitations, tandis que le télescope (6) ausculte le terrain à l'arrière du tunnelier pour détermi15 ner si le passage du tunnelier n'a pas produit des vides généralement juste au-dessus de la galerie. Application expérimentale - validation technologique et méthodologique L'appareillage de détection a été mis en place par l'IPNL durant deux mois sous un château d'eau (figure 8). Le télescope a suivi en continu (ou en dynamique) l'évolution du niveau d'eau dans le réservoir 20 du château d'eau, en détectant avec précision l'évolution de ce niveau. La figure 8 montre en (1), le château d'eau, en (2) le télescope monté verticalement, en (3) le niveau variable de la surface de l'eau. Le diagramme en dessous montre le niveau d'eau mesuré en fonction du temps par deux méthodes : la mesure par flotteur en (4), la mesure brute par muons en (5), en (6) la mesure corrigée des variations de pression atmosphérique. Les flux de muons étant plus importants quand le niveau d'eau baisse, les 25 graphes du flotteur et du flux muonique sont logiquement en opposition. Cet exemple montre que le télescope de l'invention peut parfaitement être utilisé en dynamique, notamment quand la position du télescope change par rapport à l'objet détecté, comme déjà décrit ci-avant dans l'exemple du tunnelier. Autres applications 30 Le procédé et le télescope de la présente invention peuvent également être utilisés pour contrôler dans les ouvrages d'art, les vides, les poches de densité différente, l'état des ferraillages et des tirants de précontrainte ainsi que d'autres analogues afin d'en déterminer les défauts. REVENDICATIONS1. Procédé de détection de variations de densité des terrains caractérisé en ce que l'on : i. détecte en continu le passage de muons, qui se propagent dans les terrains en perdant une partie de leur énergie; ii. mesure avec le système de détection placé au niveau du sol ou en souterrain ou en forage, et ce en une seule prise de données en continu, les excès ou déficits de masse dans le terrain en fonction d'une diminution ou d'une augmentation du flux de particules. iii. localise ces endroits où l'on constate une augmentation ou un déficit de masse. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de détection comprenant au moins deux plans détecteurs agit comme un télescope. 3. Procédé selon la revendication 2 selon lequel les plans de détecteurs sont sensibles au passage des muons en convertissant leur perte d'énergie lors de la traversée des plans en signal physique permettant de fournir au minimum la position XY et le temps de passage de chaque muon avec une résolution d'au moins 5 cm dans l'espace et de lns dans le temps. 4. Procédé selon la revendication 3 selon lequel la résolution angulaire sur la trajectoire du muon, dé- finie par les performances de chaque plan détecteur individuel et par leur configuration au sein du télescope est d'au moins 3 degrés et l'acceptance du télescope est d'au moins 3 cm2.sr au centre du télescope. 5. Procédé selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce qu'une réalisation possible de tels plans détecteurs peut utiliser des barres de scintillateurs de 1 à 8 cm de large, de 1 cm d'épaisseur, montées en damier et raccordées à une chaîne de détection opto-électronique autonome. 6. Système de détection agissant comme un télescope selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est installé au niveau du sol ou en souterrain afm de déterminer les variations de densité dans les terrains choisis parmi les mines, les tunnels, les carrières et les ouvrages d'art. 7. Utilisation du système de détection agissant comme un télescope décrit à la revendication 6 carac- térisé en ce qu'on l'installe sur un axe horizontal, vertical ou oblique pour viser les poches situées au niveau considéré. 8. Utilisation du système de détection agissant comme un télescope décrit à la revendication 6, lorsqu'on l'installe en travaux souterrains, mines, carrières, sur et autour d'ouvrages d'art pour déterminer les variations de densité du terrain ou de la structure. 9. Utilisation du système de détection agissant comme un télescope décrit à la revendication 6 lors- qu'on l'installe sur un tunnelier de manière à ausculter le terrain à l'arrêt et durant l'avancement du tunnelier pour en déterminer les variations de densité. 10. Utilisation du système de détection agissant comme un télescope décrit à la revendication 6 pour détecter les structures métalliques des ouvrages d'art et en déterminer les défauts qui leur sont liés. 3042535 9 11. Utilisation du système de détection agissant comme un télescope décrit à la revendication 6 caractérisé en ce que les structures métalliques sont choisies dans le groupe comprenant les ferraillages, les tirants de précontrainte et analogues. 12. Utilisation du système de détection agissant comme un télescope décrit à la revendication 6 pour 5 détecter depuis un forage les variations de densité à l'intérieur du terrain.