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procédé de fonçage des puits en terrains aqui- ±ères et puits en résultant .
Pour le fonçage des puits, en particulier des puits de mine, dans les terrains aquifères, on procède, en général à ltheure actuelle, soit par cimentation, soit par congélation du terrain .
Le procédé par cimentation consiste à injecter du ciment dans les terrains à traverser au fur et à mesure du fonçage, à la fois latéralement et vers le bas . Ce procédé présente des inconvénients importants : il entraîne une grosse consommation de ciment, souvent en pure perte si le fonçage a lieu à travers du sable qui laisse s'écouler le ciment injecté; par contre, si le ciment reste à l'endroit injecté, il joue bien son rôle, mais
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en même temps qu'il raffermit le terrain latéral, il durcit inutilement la zone immédiatement inférieure, dans laquelle le fonçage doit se poursuivre et qui est, de ce fait, rendu plus difficile .
Le procédé par congélation, consiste à congeler, au préalable, un cylindre vertical de terrain de même axe que le puits à foncer mais de plus grand diamètre . Le fon- çage a ensuite lieu dans le terrain congelée Le puits est sur toute sa hauteur pourvu d'un revêtement formé/de l'intérieur du puits vers l'extérieure'un cuvelage métallique et d'une paroi en béton.
Les deux éléments constitutifs de ce revêtement ont une épaisseur croissante depuis la surface jusqu'au fond du puits de manière à pouvoir résister aux poussées des terres et de l'eau après décongélation du terrain. Il en résulte, naturellement, un volume considérable de matériaux à mettre en oeuvre .
Malgré la carapace, importante ainsi constituée, on a toujours cherché à cimenter les terrains derrière le revêtement d'un puits foncé par congélation. On procède : soit par injection de ciment dans les terrains par les sondages de congélation, soit par injection de ciment par des sondages, pratiqués à travers le revêtement du puits, après décongélation.
Le premier procédé s'est révélé inefficace, car, en général, les tubes congélateurs sont très difficiles à arracher et l'argile de l'eau lourde dont on a dû se servir au cours de la perforation des sondages a obturé toutes les voies de pénétration pour le ciment .
Le deuxième procédé se révèle délicat à employer parce qu'on opère l'injection de ciment contre des pressions d'eau importantes, qu'il faut vaincre par des pressions d'in-
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jeotion plus considérables dont les effets sur le cuvelage peuvent être assez dangereux de sorte qu'en fait, cette cimen- tation derrière le revêtement n'est jamais exécutée .
En résumé, la congélation permet d'exécuter le fonçage avec le minimum de risques, tandis que la cimentation consolide les terrains autour du puits, de façon à assurer à celui-ci le maximum de solidité et de durée. autrement dit, la congélation apporte le maximum de sécurité pendant le fon- çage; la cimentation apporte le maximum de sécurité après le fonçage .
La. présente invention a pour objet un procédé de fonçage des puits qui réunit les avantages des procédés connus par congélation et par cimentation sans en présenter les inconvénients .
Ce procédé simple, bon marché et n'offrant aucun risque est remarquable notamment en ce qu'il consiste : à foncer le puits dans un terrain entièrement congelé , à poser contre les parois du puits un revêtement moins épais que celui calculé pour assurer la durée du puits ( ce qui permet de diminuer le diamètre de fonçage) , à décongeler ensuite le terrain sur une certaine épaisseur autour de ce revêtement , tout en maintenant, autour de la zone décongelée, un mur de terrains congelés continu, pratiquement invariable et d'épaisseur suffisante pour résister à la poussée des eaux , et enfin à l'abri de la barrière constituée par les terrains congelés à cimenter méthodiquement et intégralement toute la partie de terrains décongelés, située entre le revêtement du puits et les terrains congelés ,
Selon une autre caractéristique,
la zone décongelée
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étant obtenue, on fait, par zones successives et en descendant à partir du niveau piézométrique, des ponctions de l'eau contenue dans l'espace annulaire compris entre le revêtement et le mur de terrains congelés, on lave en outre cet espace. de façon à le débarrasser des terrains ou naturellement sableux ou devenus sableux après la décongélation et on cimente ensuite soigneusement le volume annulaire ainsi préparé.
En opérant ainsi de haut en bas jusqu'au pied du niveau aquifère, on a débarrassé la paroi sur une profondeur par exemple de l'ordre de 0m, 50 à 0m, 75 autour du revêtement de ses parties sans consistanceet on le consolide d'une fa- çon d'autant plus efficace qu'on a fait un nettoyage préalable.
L'invention a également pour objet l'appareillage nécessaire à Inapplication du procédé perfectionné ci-dessus, ainsi que les puits obtenus par ce procédé.
Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple : la figure 1 est une coupe, longitudinale, schématique, d'un puits et du terrain environnant, pendant la période d'injection du ciment ; la figure 2 est une coupe, verticale, partielle, à plus grande échelle, du puits et du terrain environnant pendant la même période ; la figure 3 est une coupe, horizontale, correspondante ; la figure 4 est un graphique des températures, suivant un rayon du puits ; la figure 5 est une vue, de face, d'une portion du cuvelage du puits et de l'appareillage pour la mise en oeuvre du procédé ; la figure 6 est une coupe, horizontale, de ce re-
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vêtement,montrant en plan cet appareillage ; la figure 7 est un détail de raccordement de l'ap- pareillage au cuvelage .
Le fonçage d'un puits, selon le procédé objet de l'invention, va.être exposé en détail ci-après .
Soit X-X (figures 1-2-5) l'axe vertical du puits à foncer. On commence à congeler les terrains, à la manière habituelle, sur une certaine distance concentriquement à l'axe X-X,en envoyant de la saumure dans une série de tu- bes 1 (figures 2-5) enfoncés dans les terrains autour de la zone cylindrique de rayon devant correspondre au puits .
Une fois les terrains congelés, on fonce le puits, à la manière habituelle et on recouvre ses parois d'un re- vêtement constitué : d'une part, d'un cuvelage 2, formé d'éléments réunis à la manière usuelle et pourvus, certains d'entre eux tout au moins, (par exemple un sur deux) d'un trou taraudé 3 (figures 5-6-7) , et, d'autre part, d'une paroi 4 ( figures 1-2-3) en béton d'épaisseur constante ou sensiblement constante et relativement réduite .
Pour fixer les idées par quelques chiffres numéri- ques la congélation peut, par exemple, être la suivante : a) distance des sondages de congélation au revête- ment du puits au sommet de la zone aquifère 2m, 65 à la base de la zone aquifère .......... 2m,30 en b) teneur moyenne en eau du terrain: 20 % #volume o)quantité de froid nécessaire pour faire passer 1 kg de terrain aruifère de T en dessus de zéro à t en des- sous Q = 0,289 T + 0,239 t + 8
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Ces données numériques correspondent à un fon- çage en cours d'exécution à Faulquemont .
Au cours du fonçage on effectuera un certain nombre de mesures, les seuls points de la zone congelée qui soient continuellement accessibles et où il est possible d'effectuer des mesures à chaque instant sont les points situés à l'intérieur des tubes 1 de congélation.
D'autre part, il est possible,au cours du fon- çage, de suivre du c8té intérieur la progression du mur de glace ou plus exactement de terrains congelés .
Il est donc possible d'établir expérimentalement la relation qui existe :pendant la congélation entre la distance de la paroi intérieure du mur de glace à l'axe X-X du puits et la température dans les sondages de congélation (en particulier la température de la saumure à son entrée et à sa sortie ).
Au cours du fonçage on se laisse à différents niveaux du puits la possibilité de mesurer exactement les températures dans les terrains, par exemple jusqu'à 1 mètre derrière l'extrados du revêtement 4 de béton.
Une fois le revêtement 2-4 terminé, il faut décongeler , en 5, ( figures 1 à S) le terrain autour du béton 4 sur une certaine épaisseur radiale el (figures 1 à 3) par exemple de l'ordre de cinquante à soixante-quinze centimètres tout en ayant soin de conserver autour de la zone 5 décongelée un mur de glace continu 6.
Ce mur de glace 6 limité aux surfaces 7 et 8 doit avoir une épaisseur rédiale e2,suffisante pour protéger le puits et la zone décongelée 5 qui l'entoure de la masse des eaux souterraines et susceptible de résister au moins sur une hauteur réduite à la pression de ces eaux. cette épaisseur e 2 peut être, par exemple, de l'or- dre de deux mètres .
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or, après un fonçage par congélation, quand on arrête l'apport du froid dans le terrain et si on arrête en outre toute circulation dans le tube 1, le mur de glace qui entoure le revêtement du puits et dans lequel les tempêratures les plus basses se trouvent au voisinage de la surface cylindrique formée par les sondages 1 de congélation se réchauffe .
Ce réchauffage se fait uniquement par les pa- rois,. du côté intérieur par apport des calories de l'air circulant dans le puits, du côté extérieur par retour à l'équilibre des températures avec la masse des terrains. De sorte que le mur de glace s'amincit de part et d'autre du cylindre formé par les axes des sondages, mais d'une façon générale en maintenant sa continuité ,
Suivant l'invention on doit d'une part faire un apport de chaleur, à l'intérieur du puits, et d'autre part un apport de froid dans les congélateurs 1, de manière à maintenir ou mieux à refouler vers l'extérieur la surface extérieure 7 du mur de glace, la surface intérieure 8 de ce mur étant de son côté maintenue à la distance radiale e1 du revêtement 4.
Pour cela on agit, d'une part sur la température et la quantité d'air circulant dans le puits, et d'autre part sur la température et la ouantité de saumure circulant dans les congélateurs 1.
Pour la détermination des quantités de frigories et de calories à apporter, on se basera sur les considérations théoriques suivantes : au cours de la congélation, la saumure a, dans le congélateur, au retour, à un moment donné et à chaque niveau
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une température Ts ( voir graphique de la figura 4).
A partir de cette température Ts, en s'éloignant horizontalement suivant un rayon du puits, du côté intérieur et du côté extérieur de la surface Y-Y des sondages, les températures s'élèvent suivant une courbe ayant l'allure représentée à ladite figure 4.
Du côté extérieur, la température Ts est la tempé- rature de la masse des terrains au niveau considéré .
Du côté intérieur, etest la température à ltinter- section du niveau considéré et de l'axe X-X du puits; elle peut être inférieure à 0 .
On va considérer le côté extérieur, Les frigories apportées de ce côté par le courant de saumure s'écoulent à travers les terrains, une part est utilisée pour abaisser la température en chaque point de la zone en refroidissement, et faire reculer la paroi 7 congelée et la distance où on re- trouve la température normale des terrains, une autre part se perd dans la masse des terrains sans effet apparent .
;tant donné un état quelconque de la congélation, le volume de saumure en circulation et sa température d'en- trée sont réglés de façon telle que le terrain garde à chaque niveau au contact du retour de la saumure une,température cons tante. Si cet état est réalisé, la courbe . de la figure
4 représentant les températures des terrains et, en particu- lier, la position de la surface 7 de la partie 6 congelée ne subit pas de variations, autrement dit: la Quantité de froid apportée par la saumure est entièrement véhiculée sans effet vers la masse des terrains. On réalise ainsi la constance du mur de glace côté extérieur .
Il ne peut en être ainsi du cote intérieur où la masse des terrains est finie et où l'équilibre final serait l'établissement de la température Ts dans toute la masse, à
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moins dty établir un courant susceptible d'emporter les frigories .
Ce courant ri-chauffant ne permet pas d'arrêter l'effet de congélation dtune façon absolument arbitraire, car la répartition des frigories sur les deux faces vers lesquelles elles s'écoulent à partir du cylindre des sondages 1 dépend des états relatifs de ces deux faces .
On va appeler t la température de retour de la saumure au moment où dans la progression de la congélation, la surface intérieure 8 de la couronne cylindrique congelée se trouve à 0m, 50 en arrière de l'extrados du revêtement 4. A ce moment, la surface extérieure de cette même couronne congelée est 7 ( figure 1). On pourrait à ce moment, le puits étant fermé, régler l'apport de frigories de façon que la surface 7 reste stationnaire . Mais une part Fi de ces frigories serait absorbée par le noyau interne, et la paroi du mur de glace progresserait vers l'intérieur .
Si maintenant, le puits étant aéré, on veut stabiliser en même temps les deux faces du mur de glace dans les positions respectives 7 et 8, il faut que le courant dtair intérieur absorbe précisément la quantité totale de frigories Fi,
En définitive ,il s'agit de réaliser ; le retour du mur de glace équivalent à ce qu'il était quand la température de 0 atteignait intérieurement la surface cylindrique 8 située à Om,50 en arrière de l'extrados du revêtement , le maintien du mur de glace à cet état en disposant pour cela dans le sondage, du courant de saumure et, dans le puits, d'un courant d'air réchauffé s'il y a lieu .
La température à atteindre dans les sondages est connue approximativement par les mesures faites au cours de la congélation et du fonçage .
La situation du mur de glace se suit p ar les ob-
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servations ( qui ont été préparées), des températures à l'extrados du revêtement .
En pratique l'opération se divise en deux phases : .Au cours de la première phase, le puits est isolé; pour cela, on ne dispose que du courant de saumure. C'est une période d'attente où il suffit de limiter le dégel.On arrête la circulation de saumure . On la remet périodiquement en route de façon à s'assurer qu'en 48 heures, il est possible de retrouver le régime de congélation tel, que les températures des sondages soient de 2 à 3 degrés inférieures à la température correspondant au mur de glace vers le quel on désire revenir .
Au cours de la deuxième phase le puits est en circuit d'aérage; disposant dtune part du courant de saumure, d'autre part du courant d'air, on réalise, par tétonnement , l'équilibre du mur de glace tel quton désire l'obtenir peur l'opération envisagée.
L'équilibre à réaliser peut être aisément obtenu, car la quantité de calories que peut apporter le courant d'air est très supérieure à la quantité totale de frigoriea que la congélation a pu apporter dans le puita au stade t, et fortiori à la part- de ces frigories cédée du côté intérieur du mur de glace .
Cela résulte en effet du bilai; thermique ciaprès : a) quantité de calories abandonnée en 1 heure par un courant d'air de 100 mètres cubes par seconde et dont la température stabaisse de 1
EMI10.1
air sec.................. 0.000 paieries environ air saturé...............365.000 calories environ b) quantité de calories absorbées par le cuvelage de fonte pour élever sa température de 1 :
1.268.000 calories environ
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c) quantité de calories, absorbées par le revêtement de béton pour élever sa température de 1 :
3.224.000 calories environ d) quantité de calories absorbées pour élever de 1 la température du cylindre de terrain enveloppant le revêtement (épaisseur 0m, 50) eau congelée ...........3.500.000 calories environ eau dégelée*............4.800.000 calories environ e) quantité de calories nécessaires pour provoquer la fusion de la: glace dans ce même cylindre :
117.000.000 calories
Finalement, au bout d'un temps déterminé, le terrain se trouve décongelé dans l'intervalle 5 compris entre le revêtement 4 et la surface cylindrique 8.
On continue ensuite à le maintenir dans cet état d'après les considérations et les données précitées .
Il reste à effectuer la purge, le lavage et la cimentation de l'intervalle 5.
On opère par passes successives de quinze à vingt cinq mètres de hauteur suivant les terrains, en descendant et à partir du niveau piézométrique, et on utilise par exemple l'appareillage décrit ci-après et représenté aux figures 5 à 7.
Sélon cet exemple d'exécution, les orifices 3 taraudés ménagés dans les segments 4 du cuvelage de la hauteur de la passe sont munis d'éléments tubulaires 9 (figures 6-7) vissés dans ces orifices 3 de façon étanche .Chaque élé-
9 ment/est pourvu d'un robinet à boisseau 10 (figures 5-6-7) suffisant pour laisser passer un fleuret de marteau perforateur .
Sur chaque tube 9 entre le robinet 10 et le cuvelage 2, un filetage, muni d'un robinet 11 (figure 7)permet
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de placer un manomètre .
Les tuyaux 9situés au même niveau sont reliés sur une couronne tubulaire 12, raccordée à une extrémité à un tuyau vertical 13 et à l'autre extrémité à un tuyau vertical 14.
Le tuyau 13 a son niveau supérieur de 1m, 50 environ au-dessus de la couronne 12 supérieure, et son extrémité inférieure dépasse de deux mètres au moins le niveau de la couronne inférieure .Il est puvert à l'extrémité supérieure .L'extrémité inférieure peut être fermée par. un robinet 15 (figure 5). Elle est munie d'un élément de tuyau 16 en caoutchouc pernettant d'amener l'eau qui s'en échappe en un point quelconque de la section du puits .
Le tuyau 14 est fermé à son extrémité inférieure par un robinet 17, il se prolonge cinquante mètres ou plus au-dessus de la couronne supérieure 12 et il comporte, par exemple, de dix mètres en dix mètres des tés 18 (figure 5) permettant de le raccorder par un tuyau 19 au fond d'une cuve non représentée, suspendue dans le puits à l'extrémité d'un cble et destinée à contenir l'eau ou le lait de ciment.
Sur chaque couronne horizontale 12 il est prévu un robinet 20 entre chaque tuyau 9.Chacune des liaisons qvec les tuyaux 13 et 14 peut être fermée par un robinet 21 ou 22 (figures 5-6).
Tour une passe, c'est-à-dire pour une portion telle que ab , ou bc ... (figure 1) du puits la marche de l'opération est la suivante : @ travers chaque robinet 9 et trou 3, on fore un trou de sonde jusqutà la partie 6, congelée du terrain.
On procède ensuite à la vidange de la portion correspondante de l'intervalle annulaire 5, Pour cela on
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ouvre l'ensemble de tous les robinets sans toutefois raccorder le tuyau 14 à la cuve à eau. On recueille et mesure l'eau s'écoulant à l'extrémité inférieure du tuyau 13.
On procède ensuite au lavage .Tour cela on racoorde le tuyau 14 avec la cuve à eau en maintenant celle-ci pleine d'eau à une température voisine de 0 .Pour s'assurer de cette température, on a soin de laisser en permanence dans la cuve des blocs de glace .
On essaie sur la seule couronne inférieure 12 toutes les combinaisons de passage de l'eau de trou 3 à trou 3 par derrière le cuvelage 2 et le revêtement 4. On fait varier le niveau de la cuve en charge suivant que le passage se fait plus ou moins facilement.
On fait ensuite la même opération avec l'avant-dernière couronne 12, à partir du bas, puis entre celle-ci et la dernière couronne traitée précédemment.On procède de même avec la troisième couronne, en montant, puis entre celle-ci et les deux qui sont au-dessous et ainsi de suite jusqu'à la couronne 12 supérieure, en multipliant autant que possible les chemins offerts à l'eau.
On a soin de recueillir et de mesura*le sable enlevé. on procède enfin à la cimentation.On envoie le lait de ciment par la couronne 12 inférieure en le faisant refluer successivement par les autres couronnes en remontant, ceci jusqu'à la couronne la plus élevée. On laisse reposer, on vérifie le niveau supérieur du ciment et on recommence partir 'de celui-ci la même opération.
On laisse reposer de nouveau et on reprend la cimentation à partir de la couronne qui se trouve au-dessus du niveau du ciment qui s'établit, et ainsi de suite jusqu'à la partie supérieure .
Il y a lieu de remarquer que toute communication avec la masse des eaux située derrière la partie con-
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gelée 6 à la suite d'une fuite dans cette partie 6 se- rait révélée par les manomètres placés sur les tubes 9 et plus simplement par le régime d'écoulement des eaux.
On arrêterait immédiatement le lavage .
La cimentation devrait alors stopérer à une pression supérieure à celle des eaux.
Naturellement les divers tubes doivent pouvoir résister à ces pressions.
Le temps d'exécution de l'opération même de la cimentation est court( quelques jours pour une passe), le matériel nécessaire est d'un prix peu élevé.
Il faut, par contre, disposer dtune ventilation suffisante .Il,est nécessaire de laisser l'usine de congélation en état' de marche, après la traversée des terrains aquifères . Ce sont les frais occasionnés par le maintien de la congélation qui conditionnent l'économie de l'opération.
Mais, en fait, stil s'écoule plus de temps entre le moment où on a passé la période de congélation favorable à la cimentation et la fin du fonçage en terrains aquifères qu'entre ce moment et l'ouverture du circuit d'aérage, il n'y a pratiquement que peu ou pas de frigories à dépenser.
0*est ce qui peut avoir lieu dans la plupart des cas .
D'autre part, la possibilité de pratiquer la cimentation permet, en renforçant les terrains, une réduction de l'épaisseur du revêtement en béton, ce qui compense très largement le prix de cette cimentation et sa durée.
L'opération ne comporte aucun risque. La mise en oeuvre du procédé (en particulier du lavage) qui dépend de la nature des terrains, se fait dans une zone où la sécurité est absolue.
Les avantages du procédé par la: congélation sont, en outre, conservés; on épargne tout le ciment, qui
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dans le procédé par cimentation, se perd dans les terrains compris dans le périmètre de creusement; en outre, on gagne du temps sur la durée du fonçage .
Naturellement l'invention n'est nullement limitée au mode d'exécution représenté et décrit qui n'a été choisi qu'à titre d'exemple .
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