FR3066204A1

FR3066204A1 - Procede et dispositif de congelation d'un massif de sol

Info

Publication number: FR3066204A1
Application number: FR1754141A
Authority: FR
Inventors: Romain NICOLAS; Bertrand Thidet; Raphael Gueulet; Jerome Stubler
Original assignee: Vinci Construction SAS
Current assignee: Vinci Construction SAS
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: EP3622120A1; FR3066204B1; US20200063391A1; CA3062299A1; WO2018206627A1; US11091893B2

Abstract

Procédé de congélation et de traitement d'un massif de sol, permettant la compensation des déformations du massif de sol à la décongélation, comportant les étapes suivantes : a) réaliser au moins un forage (2) dans le massif de sol, b) congeler au moins en partie le massif de sol à l'aide d'un fluide de congélation introduit dans le forage, puis c) injecter dans le massif de sol un coulis de compensation (55), en utilisant le forage (2) ayant servi à la congélation, durant la phase de décongélation afin de compenser au moins partiellement les variations de volume du massif de sol lorsque celui-ci se décongèle.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONGELATION D’UN MASSIF DE SOL

La présente invention concerne les procédés et dispositifs utilisés pour la congélation du sol.

La congélation du sol est une technique inventée à la fin du XIXeme siècle pour rendre un massif de sol cohérent et imperméable. Elle est utilisée aujourd’hui pour réaliser des excavations dans un terrain sans cohésion, notamment pulvérulent, comportant par exemple des graviers ou des sables, et comportant une quantité importante d’eau interstitielle, éventuellement en circulation.

Le principe général de cette technique est de refroidir un massif de sol de manière à figer l’eau interstitielle et à créer ainsi un massif cohérent et imperméable. Pour ce faire, un réseau de forages est réalisé dans le massif de sol à congeler. Les forages sont équipés de sondes de congélation dans lesquelles on fait circuler un fluide à basse température. Le massif de sol à congeler voit sa température baisser, jusqu’à obtention d’un massif de sol congelé cohérent et imperméable, qui est maintenu à basse température pendant toute les opérations d’excavation. A l’issue des travaux, les sondes de congélation sont purgées puis démontées ou abandonnées et le massif de sol remonte lentement en température.

Lors de la congélation, l’eau tend à perturber le massif de sol en raison de son augmentation de volume au changement d’état. Elle diminue notamment la compacité globale du massif de sol et tend à écarter les grains constitutifs du sol les uns des autres.

Lors de la remontée en température du massif de sol préalablement congelé, le volume de celui-ci tend à diminuer avec le retour de l’eau à l’état liquide. En outre, la cohésion du massif de sol est diminuée par rapport à la situation avant congélation du fait de la séparation des grains de sol. Ces deux phénomènes conduisent à des tassements du sol congelé lors de sa décongélation.

Dans le cas fréquent où des avoisinants en surface sont sensibles aux tassements (notamment lorsque les zones congelées sont proches de bâtiments), il peut être nécessaire de procéder à des injections d’un coulis de compensation. Ces injections sont destinées à compenser les tassements qui pourraient se produire en surface lors de la diminution de volume du massif congelé. Elles sont réalisées au moyen de forages spécifiques, coûteux à réaliser.

On connaît par la demande de brevet CN 104963334 un procédé de congélation du sol pour la construction d’un tunnel, dans lequel du ciment est injecté avant la congélation du sol pour renforcer celui-ci.

Il existe un besoin pour bénéficier d’un procédé de congélation du sol plus simple à mettre en œuvre, et l’invention vise à y répondre. L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un procédé de congélation et de traitement d’un massif de sol, permettant la compensation des déformations du massif de sol à la décongélation, comportant les étapes suivantes : a) réaliser au moins un forage dans le massif de sol, b) congeler au moins en partie le massif de sol à l’aide d’un fluide de congélation introduit dans ce forage, puis c) injecter dans le massif de sol un coulis de compensation, en utilisant le forage ayant servi à la congélation, durant la phase de décongélation afin de compenser au moins partiellement les variations de volume du massif de sol lorsque celui-ci se décongèle. L’injection du coulis de compensation dans le massif de sol au cours de la phase de décongélation permet de renforcer le massif de sol et d’éviter des mouvements de terrain et effondrements.

La réutilisation du forage ayant servi à la congélation réduit le nombre de forages à réaliser et rend le procédé plus simple à mettre en œuvre que ceux de l’art antérieur. L’injection du coulis de compensation est effectuée de préférence de manière sélective, c’est-à-dire que le rythme et le ou les points d’injection du coulis de compensation sont contrôlés en fonction de l’avancée de la décongélation du massif de sol et des déformations de celui-ci ou des déformations induites en surface.

Le coulis de compensation est de préférence un coulis de ciment.

Forage

Pendant le forage, un fluide de forage peut être utilisé afin de favoriser l’évacuation des boues de forage. Ce fluide de forage est de préférence de l’eau, mais peut éventuellement être un autre fluide, notamment de la boue bentonitique.

Les forages peuvent être réalisés au moyen de tubes de forage équipés chacun en extrémité d’un outil de forage, chaque tube de forage pouvant être laissé en place pendant le processus de congélation jusqu’à l’étape d’injection du coulis de compensation. Les tubes de forage peuvent ainsi servir à l’injection du coulis de compensation. L’outil de forage peut être laissé en place et perdu. En variante, il est retiré.

Le tube de forage peut servir au forage, comme mentionné ci-dessus, c’est-à-dire servir à entraîner l’outil de forage, ou en variante être introduit après le forage, quand la nature du sol le permet.

Le ou les tubes de forage peuvent être à manchettes. Le tube comporte dans ce cas un ou plusieurs orifices normalement recouverts et obturés par les manchettes. Ces dernières sont déformées par la pression du coulis injecté, qu’elles laissent sortir par le ou les orifices associés.

En variante, le ou les orifices sont formés par rupture de zones fragilisées d’épaisseur moindre de la paroi du tube, qui éclatent sous la pression du coulis.

Les sorties de coulis de compensation peuvent être réparties sur le tube, étant par exemple disposées avec un écartement compris entre 50 cm et 5 m, mieux entre 1 m et 4 m. Le tube comporte par exemple une sortie de coulis tous les 2 m. Il est possible à l’aide d’un obturateur introduit dans le tube d’isoler certaines sorties et de contrôler ainsi la hauteur d’injection du coulis dans le massif de sol.

Pendant le forage, les manchettes peuvent être protégées par un gainage externe.

En variante, le tube de forage est dépourvu de sorties de coulis sur sa longueur. Il peut être dans ce cas ouvert à son extrémité distale.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le forage étant réalisé au moyen d’un tube de forage, à manchettes ou non, équipé en extrémité d’un outil de forage, le tube de forage est laissé en place pendant l’étape de congélation et pendant l’étape d’injection du coulis de compensation.

Scellement

Le ou chaque tube de forage peut être scellé dans le massif de sol par injection d’un coulis de scellement, injecté dans le forage autour du tube de forage. Cette étape de scellement peut avoir lieu après l’étape de forage et avant l’étape de congélation.

Le coulis de scellement est par exemple un coulis de ciment. Ce coulis de scellement peut notamment être identique au coulis de compensation. En variante, il est différent. La pression d’injection du coulis de scellement est fixée en vue d’éviter tout déplacement du terrain. Elle est de préférence inférieure à la pression limite du terrain encaissant à traiter. L’intérieur du tube de forage peut être nettoyé afin d’éliminer le coulis de scellement résiduel avant l’opération de congélation.

Congélation

De préférence, l’opération de congélation s’effectue en introduisant une sonde de congélation dans chacun des forages, en utilisant le ou les tubes de forage en place.

On peut remplir avec un fluide thermiquement conducteur un espace ménagé autour de la sonde de congélation dans le tube de forage. Ce fluide thermiquement conducteur est par exemple de la saumure. En variante, l’espace peut être rempli avec un composé liquide à température de congélation du terrain, par exemple un polymère approprié.

Avant l’introduction du fluide thermiquement conducteur, on peut tester l’étanchéité de l’ensemble pour vérifier l’absence de fuite. Un tel test peut être effectué avec de l’eau. Il est notamment destiné à vérifier l’absence de fuite du fluide thermiquement conducteur vers le terrain, une telle fuite rendant impossible la congélation du terrain.

La fixation de la sonde de congélation au tube de forage est assurée par des moyens de fixation qui permettent son maintien mécanique. Ces moyens de fixation peuvent également assurer l’étanchéité du fluide thermiquement conducteur présent autour de la sonde de décongélation dans le tube de forage.

En variante, la sonde de congélation est introduite dans le forage correspondant sans qu’il n’y ait de tube de forage présent, parallèlement à un tuyau servant à l’injection du coulis de compensation.

Dans une réalisation, le tuyau servant à l’injection du coulis de compensation et la sonde de congélation sont scellés l’un à côté de l’autre dans le forage au moyen d’un coulis de scellement. Une telle configuration peut être choisie dans le cas d’un massif de sol suffisamment cohérent. Le coulis de scellement peut être injecté dans le tuyau précité jusqu’à ce que le coulis remonte suffisamment dans le forage autour de celui-ci.

Le procédé selon l’invention comprend l’étape de congélation du massif de sol, au cours de laquelle on peut faire circuler dans la sonde de congélation un fluide de congélation. Le fluide de congélation peut être de la saumure ou de l’azote liquide.

La nature du fluide de congélation peut être modifiée au cours du procédé. Dans une première phase, on utilise par exemple de l’azote liquide comme fluide de congélation, afin de provoquer un refroidissement rapide, puis dans une deuxième phase du procédé, on utilise de la saumure comme fluide de congélation.

Le procédé peut comporter une étape de vidange du fluide thermiquement conducteur présent autour de la sonde de congélation dans le tube de forage.

Le procédé peut comporter en outre une étape de retrait de la sonde de congélation avant l’étape d’injection du coulis de compensation. Ainsi, la sonde de congélation peut être retirée avant l’introduction d’un tuyau d’injection du coulis de compensation.

La sonde de congélation peut comporter un tube extérieur et un tube intérieur disposé à l’intérieur du tube extérieur. La sonde de congélation peut comporter ainsi une arrivée de fluide de congélation dans le tube intérieur et une évacuation du fluide de congélation par l’intervalle entre le tube extérieur et le tube intérieur. Les tubes extérieur et intérieur peuvent être coaxiaux ou non. Dans une variante de réalisation, au moins l’un des tubes intérieur et extérieur de la sonde de congélation n’est pas retiré lors de l’injection du coulis de compensation. La sonde de congélation peut ainsi être laissée en place et perdue.

Compensation L’injection du coulis de compensation s’effectue à une pression suffisante pour fracturer le coulis de scellement et claquer le terrain décongelé et décomprimé. La pression d’injection du coulis de compensation est de préférence supérieure à la pression limite du terrain remanié par la décongélation.

Dans le procédé selon l’invention, l’injection du coulis de compensation peut s’effectuer à l’aide d’un tuyau d’injection introduit à travers un obturateur disposé dans le tube de forage. L’injection du coulis de compensation peut s’effectuer successivement à au moins deux niveaux dans le massif de sol, par exemple en déplaçant l’obturateur dans le tube de forage et en utilisant des sorties situées à au moins deux hauteurs différentes sur le tube de forage.

Le procédé selon l’invention peut comporter une étape de mesure des déformations du sol en surface, notamment au moyen d’un ou plusieurs capteurs. Ces mesures permettent d’assurer une surveillance des éventuels tassements du massif de sol et des phénomènes de fluage possibles. Les mesures obtenues peuvent permettre de régler l’injection du coulis de compensation, et notamment la pression d’injection et la hauteur de l’injection dans les forages. L’injection du coulis de compensation peut être poursuivie jusqu’à la fin de la décongélation du sol. On peut laisser le massif de sol décongeler jusqu’à environ -2 à 5°C, avant de procéder à l’injection du coulis de compensation.

Le tube de forage peut être nettoyé après l’injection du coulis de compensation. En particulier, le procédé peut comporter une étape de nettoyage du tube de forage après la décongélation complète du sol.

Dispositif de forage L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif de forage, notamment pour la mise en œuvre du procédé tel que défini plus haut, comportant un tube de forage, à manchettes ou non, équipé en extrémité d’un outil de forage, et un tuyau d’injection d’un coulis de compensation.

Ce dispositif peut comporter au moins un obturateur pour sélectionner la hauteur d’injection du coulis de compensation dans le forage. L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un ensemble de congélation du sol, comportant un dispositif de forage tel que défini ci-dessus et une sonde de congélation. Cette dernière peut être réalisée de façon à pouvoir être fixée au tube de forage par une liaison mécanique étanche au niveau de l’entrée du forage. L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un ensemble pour la mise en œuvre du procédé défini plus haut, comportant un tube de forage, à manchettes ou non, équipé d’un outil de forage et une sonde de congélation configurée pour être fixée de façon amovible dans le tube de forage. L’ensemble peut être rendu continu thermiquement par un remplissage au moyen d’un fluide thermiquement conducteur et restant liquide à température de congélation du sol. L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un massif de sol traité au moyen du procédé défini plus haut, comportant un coulis de compensation injecté autour du forage, notamment au niveau des sorties du tube de forage. Les forages peuvent être disposés de diverses manières, par exemple horizontale ou radiale, autour d’un tunnel par exemple.

Description des figures D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, d’un dispositif de forage conforme à l’invention, - la figure la est une coupe transversale selon A-A de la figure 1, - les figures lb et le sont des vues analogues à la figure la de variantes de réalisation, - les figures 2 à 8 sont des vues analogues à la figure 1 illustrant le procédé de congélation et de traitement conforme à l’invention, et - les figures 2a à 6a sont des coupes transversales, selon A-A, respectivement des figures 2 à 6.

On a illustré aux figures 1 et la un dispositif de forage 1, en place dans un forage 2 réalisé dans un massif de sol T. Un voussoir V peut être présent, comme illustré, étant traversé par le dispositif de forage 1, lequel reste accessible à l’extérieur E.

Le dispositif de forage 1 est par exemple fixé au voussoir V par une platine 4, qui est dans l’exemple décrit incurvée pour reprendre la courbure de celui-ci. Bien entendu, le massif de sol T peut être dépourvu de voussoir V.

Le dispositif de forage 1 comporte un tube de forage 10 qui est dans l’exemple décrit équipé en extrémité d’un outil de forage 15.

Le tube 10 reçoit une sonde de congélation 20 assujettie mécaniquement au tube de forage 10 par un cerclage de raccordement 16. La sonde de congélation 20 est configurée pour permettre la circulation d’un fluide froid, à savoir dans l’exemple considéré de la saumure.

La sonde de congélation 20 comporte un tube extérieur 21 et un tube intérieur 22 disposé à l’intérieur du tube extérieur 21. Le fluide circule entre une entrée 24 et une sortie 26, selon les flèches, à savoir descend à l’intérieur du tube 22 et remonte par le tube 21 autour du tube 22. La sonde de congélation 20 peut comporter comme illustré des valves de purge 25.

Le tube 10 est pourvu dans cet exemple de sorties constituées par des orifices réalisés à travers la paroi du tube à diverses hauteurs, ces orifices étant normalement obturés par des manchettes 11.

Le tube de forage 10 permet d’accueillir un tuyau 30 d’injection d’un coulis de compensation et comporte de préférence des moyens pour sélectionner la hauteur d’injection du coulis de compensation dans le forage, en permettant de sélectionner des orifices de sortie du coulis grâce à un obturateur au moins, comme décrit plus loin.

Dans la variante illustrée à la figure lb, la sonde de congélation introduite dans le tube de forage 10 ne comporte qu’un seul tube au lieu d’un tube intérieur et d’un tube extérieur. Dans ce cas, le fluide de congélation arrive par ce tube unique et repart par l’extérieur au sein du tube de forage 10.

Dans la variante de la figure le, le massif de sol est suffisamment cohérent pour ne pas nécessiter de laisser en place le tube de forage 10. Dans ce cas, le tuyau 30 d’injection de coulis de compensation et la sonde de congélation 20 peuvent être scellés l’un à côté de l’autre dans le forage 2 au moyen d’un coulis de scellement.

On va maintenant décrire plus en détails le procédé de congélation utilisant le dispositif de la figure 1, en faisant référence aux figures 2 à 8 et 2a à 6a.

Dans une première étape du procédé, illustrée aux figures 2 et 2a, on réalise au moins un forage 2 dans le massif de sol. On utilise à cet effet le tube de forage 10 équipé en extrémité d’un outil de forage 15. Pendant le forage, les manchettes 11 sont de préférence protégées, comme illustré, par des manchons de protection 12, qui les recouvrent.

On peut procéder de façon connue en soi à une lubrification du tube de forage 10 pendant l’opération de forage, grâce à une valve anti-retour 16 placée au fond du tube de forage 10, qui permet d’injecter de l’eau sur l’outil 15.

Dans une deuxième étape, illustrée aux figures 3 et 3 a, on peut procéder au scellement du tube de forage 10 au sein du forage 2 par injection d’un coulis de scellement 50. Celui-ci est injecté dans le tube de forage 10 et se répand à l’extérieur de celui-ci par le clapet 16.

On élimine ensuite le coulis de scellement résiduel à l’intérieur du tube de forage 10, pour ne conserver que le coulis de scellement 50 utile, à savoir celui situé entre la paroi du forage 2 et l’extérieur du tube de forage 10, comme illustré aux figures 4 et 4a. L’opération de congélation s’effectue en introduisant d’abord la sonde de congélation 20 précédemment décrite dans le tube de forage 10, comme illustré aux figures 5 et 5a. On remplit le vide annulaire entre la sonde 20 et le tube 10 avec un fluide thermiquement conducteur, par exemple de la saumure, de manière à assurer une conductivité thermique satisfaisante entre les deux et ainsi favoriser le refroidissement de celui-ci.

Avant d’effectuer ce remplissage, on peut tester l’étanchéité du scellement du tube de forage au terrain avec de l’eau, de manière à ne pas introduire dans le terrain un fluide non congelable.

Le procédé comprend ensuite l’étape de refroidissement et de congélation du massif de sol, au cours de laquelle on fait circuler dans la sonde de congélation un fluide cryogénique, comme illustré aux figures 5 et 5a, notamment de la saumure. Cette dernière circule dans la sonde entre l’arrivée 24 et la sortie 26.

Lorsque le refroidissement n’est plus nécessaire, on peut vidanger le fluide thermiquement conducteur présent autour de la sonde de congélation dans le tube de forage 10 et retirer la sonde de congélation.

Le tuyau 30 d’injection du coulis de compensation est ensuite introduit dans le tube de forage 10, comme illustré aux figures 6 et 6a.

On peut placer un obturateur 61 dans le tube de forage 10, de façon à ce que la sortie du coulis se fasse seulement par les orifices du tube 10 situés en deçà de l’obturateur 61. Ce dernier est par exemple une vessie gonflable, traversée par le tube d’injection 30.

On injecte alors dans le massif de sol un coulis de compensation 55 à l’aide du tuyau 30, en utilisant le forage 2 ayant servi à la congélation.

Lors de l’injection du coulis de compensation, les manchons 12 de protection des manchettes 11 sont chassés par la pression d’injection. Au niveau des orifices recouverts par les manchettes 11, on a un claquage du coulis de scellement 50 permettant le passage du coulis de compensation sous l’effet de la forte pression utilisée pour injecter celui-ci.

Sur la figure 6, l’obturateur 61 est disposé de façon à ce que l’injection du coulis de compensation se fasse par les sorties les plus basses du tube 10. L’injection du coulis de compensation peut toutefois s’effectuer à au moins deux niveaux différents dans le massif de sol, comme illustré à la figure 7, en remontant une fois l’injection par les sorties les plus basses terminée, l’obturateur 61 dans le tube de forage 10 au-dessus d’autres sorties. On peut en outre disposer d’autres obturateurs de manière à sélectionner les zones du tube de forage où on souhaite injecter du coulis de ciment.

Ainsi, l’injection peut être faite de manière sélective, et le rythme et la profondeur d’injection de coulis de compensation peuvent être contrôlés en fonction de l’avancée de la décongélation du massif de sol et de l’évolution de la stabilité de celui-ci.

On obtient des bulbes 40 de coulis de compensation autour du forage 2, notamment au niveau des manchettes 11 du tube de forage 10.

Enfin, dans une dernière étape illustrée à la figure 8, le tube de forage 10 peut être nettoyé après l’injection du coulis de compensation 55.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits, et le tube de forage, ainsi que la sonde de congélation, peuvent être réalisés différemment sans que l’on ne sorte du cadre de la présente invention. La sonde de congélation est par exemple adaptée à la circulation d’azote liquide. Le tube de forage peut être dépourvu de manchettes, ou être configuré autrement encore.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de congélation et de traitement d’un massif de sol, permettant la compensation des déformations du massif de sol à la décongélation, comportant les étapes suivantes : a) réaliser au moins un forage (2) dans le massif de sol, b) congeler au moins en partie le massif de sol à l’aide d’un fluide de congélation introduit dans le forage, puis c) injecter dans le massif de sol un coulis de compensation (55), en utilisant le forage (2) ayant servi à la congélation, durant la phase de décongélation afin de compenser au moins partiellement les variations de volume du massif de sol lorsque celui-ci se décongèle.
2. Procédé selon la revendication précédente, le forage (2) étant réalisé au moyen d’un tube de forage (10), à manchettes (11) ou non, équipé en extrémité d’un outil de forage (15), le tube de forage (10) étant laissé en place pendant l’étape de congélation et pendant l’étape d’injection du coulis de compensation (55).
3. Procédé selon la revendication précédente, le tube de forage (10) étant scellé dans le massif de sol par injection d’un coulis de scellement (50), puis pouvant être nettoyé pour le vider du coulis de scellement (50) avant l’opération de congélation.
4. Procédé selon l’une des deux revendications immédiatement précédentes, l’injection du coulis de compensation (55) s’effectuant à une pression suffisante pour fracturer le coulis de scellement
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’opération de congélation s’effectuant en introduisant une sonde de congélation (20) dans le forage (2), notamment dans le tube de forage (10) en place.
6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on remplit avec un fluide thermiquement conducteur un espace ménagé autour de la sonde de congélation (20) dans le tube de forage (10).
7. Procédé selon l’une des deux revendications précédentes, comportant une étape de retrait de la sonde de congélation (20) avant l’injection du coulis de compensation (55).
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, la sonde de congélation (20) comportant un tube extérieur (21) et un tube intérieur (22) disposé à l’intérieur du tube extérieur (21).
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, l’injection du coulis de compensation (55) s’effectuant à l’aide d’un tuyau d’injection (30) introduit à travers un obturateur (61) disposé dans le tube de forage (10).
10. Procédé selon la revendication précédente, l’injection du coulis de compensation (55) s’effectuant à au moins deux niveaux dans le massif de sol, en déplaçant l’obturateur (61) dans le tube de forage (10) et en utilisant des orifices obturés de celui-ci de préférence par des manchettes (11), situés à au moins deux hauteurs différentes sur le tube.
11. Ensemble conçu pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un tube de forage (10) équipé d’un outil de forage (15), un tuyau (30) d’injection d’un coulis de compensation, le tube de forage (10) étant configuré pour recevoir le tuyau (30) d’injection durant la phase de décongélation, et une sonde de congélation (20) configurée pour être fixée de façon amovible dans le tube de forage (10).