Boue de forage
à usage des boucliers
à pression de boue
GT4R4F1
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ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS
ET DE ...
Texte présenté par
P. LONGCHAMP (Bouygues Travaux Publics)
assisté de :
A. BESQ (LEA) - F. BONIN (JF Tech) - B. DEMAY (Vin...
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  1. 1. Boue de forage à usage des boucliers à pression de boue GT4R4F1 www.aftes.asso.fr ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN Organisation nationale adhérente à l’AITES RRReeecccooommmmmmaaannndddaaatttiiiooonnnsss dddeee lll’’’AAAFFFTTTEEESSS
  2. 2. Texte présenté par P. LONGCHAMP (Bouygues Travaux Publics) assisté de : A. BESQ (LEA) - F. BONIN (JF Tech) - B. DEMAY (Vinci) - M. GUERIN (Calypso) A. GUILLAUME (MS) - A. PANTET (ESIP-Poitiers) - J-M. ROGEZ (RATP) - A. SCHWENZFEIER (CETU) Et avec la participation des membres du groupe de travail n°4 (évacuation mécanisée) suivant : D. ANDRE (SNCF) - F. BERTRAND (Chantiers Modernes) - L. CHANTRON (CETU) - D. CUELLAR (SNCF) J-M. FREDET (Pergolese) - J-L. GIAFFERI (EDF) - C. MOLINES (Eiffage) - P. MONNET (ESIP Poitiers) L. NICOLAS (JF Tech) - P. RENAULT (Razel) - J-F. ROUBINET (Vinci). Le groupe de travail remercie les lecteurs du Comité Technique pour leur lecture de validation : J. GUILLAUME (Razel) - B. GODINOT ( GTM Construction) - G. PIQUEREAU (CAP) Version 1 - approuvée par le Comité Technique du 14/11/2001 AFTES RECOMMANDATIONS RELATIVES A LA BOUE DE FORAGE A USAGE DES BOUCLIERS A PRESSION DE BOUE L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte. 141TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte. PagesPages 1 - PREAMBULE ET OBJET DE LA RECOMMANDATION- - - - - - 142 2 - ROLES ET FONCTIONS DE BASE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 143 2.1 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 143 2.2 - Fonctions premières de la boue de forage - - - - - - - - - - - - - - 143 2.3 - Fonctions et qualités secondaires de la boue de forage - - - - 143 3 - PRINCIPES DE BASE DE FONCTIONNEMENT DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.1 - Fonction de confinement - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.1.1 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.1.2 - Filtration - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.1.3 - Rigidification de la boue- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.1.4 - Nature du cake - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.1.5 - Vitesse de formation du cake - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.2 - Fonction transport - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.3 - Fonction séparation - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.4 - Evolution de la boue en cours de forage - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.4.1 - Contamination physique de la boue par la charge solide - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 3.4.2 - Contamination chimique de la boue - - - - - - - - - - - - - - - 144 4 - PROPRIETES DE BASE ET MESURE DES PROPRIETES DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 144 4.1 - Propriétés rhéologiques - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145 4.1.1 - Introduction- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145 4.1.2 - Viscosité apparente (VA)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145 4.1.3 - Viscosité plastique (VP)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145 4.1.4 - Seuil d'écoulement - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145 4.1.5 - Thixotropie et gels- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146 4.2 - Propriétés physiques- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146 4.2.1 - Densité de la boue de forage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146 4.2.3 - Filtration - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146 4.2.4 - Qualité du cake - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146 4.3 - Propriétés chimiques- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146 4.3.1 - Présence d'électrolytes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 146 4.3.2 - Variation de pH - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 147 5 - MATERIELS ET PROCEDURES POUR LA MESURE DE LA QUALITE DE LA BOUE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 147 5.1 - Matériels de contrôle - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 147 5.2 - Procédures - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 147 6 - CHOIX DES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DE LA BOUE 6.1 - Propriétés - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 147 6.2 - Orientations de solutions de boue de forage - - - - - - - - - - - - 147 7 - CONSTITUANTS DE LA BOUE DE FORAGE :- - - - - - - - - - - - 148 7.1 - Composition - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 148 7.2 - Choix des constituants - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 148 8 - TRAITEMENT DES BOUES EXCEDENTAIRES - - - - - - - - - - - - 148 9 - PROGRAMME BOUE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.1 - Objectifs - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.2 - Elaboration - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 SOMMAIRESOMMAIRE
  3. 3. 142 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue A titre d’exemple : ➬ En forage vertical : • Le volume et la section d’excavation sont relativement faibles, les phénomènes d’insta- bilité sont locaux. • La pression de la boue est gérée directe- ment par la charge hydrostatique et sa densité. • Le transport des déblais issus de l’abattage est effectué en régime laminaire pour éviter l’érosion des parois du forage. Cela nécessite des vitesses d’écoulement faibles et une boue dont la viscosité permet de porter les cuttings. • L’excavation recoupe les horizons géolo- giques sub-horizontaux successivement mais généralement en pleine face. ➬ En excavation de tunnel : • Les conditions de soutènement sont géné- ralement plus difficiles (grandes sections, sou- tènement de voûte) avec d’importants risques d’instabilité. • La pression de la boue est obtenue et contrôlée mécaniquement. 1 - PREAMBULE L a boue de forage est un auxiliaire indispensable à l’usage des boucliers mécanisés à confinement de boue dans le processus de soutènement de l’excavation et de marinage des déblais. Le lecteur pourra consulter à ce propos, les recommandations relatives au choix des techniques d'excavation mécanisée (TOS n°157 janvier/février 2000, chapitres 4.3.4, 6.3.3, 7.3.3 et 8.5). Il est donc apparu important au groupe de travail n°4 de l’AFTES, en charge de l’excavation mécanisée, de produire une recommandation traitant de ce sujet. En effet, la science de la boue est relativement complexe. Elle est un mélange d’expérience et de théorie, le siège de phénomènes rhéologiques, physiques et chimiques. Elle est aussi confrontée aux autres sciences complexes, que sont les sciences de la terre. L’usage de la boue pour réaliser des excavations a sans aucun doute trouvé son origine dans l’activité des forages verticaux. Les pétroliers, grâce à leurs grands moyens et les enjeux économiques, se sont impliqués très fortement dans le développement de cette technologie. Le génie civil a ainsi bénéficié d’un formidable acquis tout d’abord dans le domaine des fondations profondes et les forages pour le traitement des terrains puis, quelques années plus tard, pour le creusement des tunnels en terrains meubles et aquifères. Si la composition de la boue est sensiblement la même que dans le domaine pétrolier, son utilisation en tunnel répond à des exigences singulières. PagesPages 9.2.1 - Aspects réglementaires : environnement / hygiène et sécurité - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.2.2 - Conditions de site: géométrie du projet, géologie, géotechnique, et emprises au sol - - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.2.3 - Matériels - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.2.4 - Qualité des constituants (eau, additifs) - - - - - - - - - - - - - 149 9.2.5 - Estimatif de consommation - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.3 - Contrôles de la mise en œuvre et suivi - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.3.1 - Contrôles & système documentaire - - - - - - - - - - - - - - - 149 9.3.2 - Personnel - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 149 10 - MISE EN ŒUVRE DE LA BOUE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 150 10.1 - Réception des produits de base - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 150 10.2 - Fabrication - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 150 ANNEXE 1 : GLOSSAIRE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 150 ANNEXE 2 : POLYMERES ET BENTONITES POUR BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 151 1 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 151 2 - Types de polymères utilisés en boue de forage- - - - - - - - - - - 151 2.1 - Amidons et dérivés amylacés - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 151 2.2 - Gommes de Guar - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 151 2.3 - Xanthanes- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 151 2.4 - Ethers de cellulose- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 151 2.5 - Polyacrylamides- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 152 2.6 - Polyacrylates - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 152 3 - Bentonites - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 152 3.1 - Structure de la bentonite - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 152 3.2 - Propriétés de la bentonite - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 152 3.3 - Bentonite pour travaux souterrains - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 153 ANNEXE 3 : PRINCIPE D’EVALUATION DES CARACTERISTIQUES RHEOLOGIQUES DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 153 ANNEXE 4 : TABLEAU INDICATIF DE PARAMETRAGE DE LA BOUE DE FORAGE- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 154 ANNEXE 5 : RHEOLOGIE DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - - 155 1 - Définition de la rhéologie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 155 2 - Rhéologie des fluides de forage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 155 3 - Définitions et terminologie - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 155 4 - Modèles rhéologiques - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 155 ANNEXE 6 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UNE STATION DE TRAITEMENT DES BOUES DE FORAGE - - - - - - - - - 157 6.1 - Séparation des déblais solides de la boue - - - - - - - - - - - - - 157 6.1.1 - Scalpage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 157 6.1.2 - Dessablage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 157 6.1.3 - Essorage - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 157 6.2 - Séparation de la fraction boue excédentaire de la boue recyclée - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 157 6.3 - Traitement de la boue excédentaire- - - - - - - - - - - - - - - - - - 157 6.3.1 - Epaississement par flocution-décantation sous forme de boue pâteuse- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 158 6.3.2 - Traitement complémentaire par pressage pour obtenir des déblais solides manutentionnables en vrac - 158 6.3.3 - Indices de filtrabilité des boues- - - - - - - - - - - - - - - - - - - 158 6.3.3.1 - Résistance spécifique à la filtration - - - - - - - - - - - - - 158 6.3.3.2 - Facteur de compressibilité - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 158 ANNEXE 7 - PERMEAMETRE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 159 ANNEXE 8 - DOCUMENTS-TYPES DE SUIVI DE LA BOUE- - - - - - 160 SOMMAIRESOMMAIRE
  4. 4. A FTES 143TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue • Le transport des déblais est réalisé en régime turbulent nécessitant une forte vitesse d’écoulement, les cuttings sont por- tés par la dynamique des turbulences • Les profils géologiques étant sub-horizon- taux, les sections sont souvent mixtes et hétérogènes • Les volumes et sections d’excavation sont de grandes dimensions Le matériau de base de la boue de forage est la bentonite, variété d’argile possédant des propriétés rhéologiques et physiques parti- culières. D’autres produits, tels que les polymères, défloculants, de plus en plus employés, vien- nent compléter et améliorer les propriétés de base de la boue. Ils sont donc intégrés dans cette recommandation. D’un projet à l’autre, les conditions géolo- giques, hydrogéologiques et les dimensions pourront être très différentes et donc poser des problèmes spécifiques. Cette recommandation a pour objectif d’ap- porter une aide pour l’élaboration, la gestion et le contrôle des boues de forage utilisées par les boucliers mécanisés à confinement de boue. 2 - ROLES ET FONCTIONS DE BASE 2.1 - GENERALITES La boue de forage assure des rôles multiples. Les principaux sont l’étanchement et le sou- tènement des parois de l’excavation. D’autres rôles, qualifiés de secondaires, sont également à prendre en compte. Ceux-ci sont détaillés dans le chapitre 2.3. Dans les cas les plus simples, seule la fonc- tion transport doit être assurée (marinage hydraulique). L'eau seule (sans additif) peut remplir alors correctement ce rôle. Cependant, dans la grande majorité des cas, les conditions d'utilisation du fluide de forage sont plus défavorables et liées au cumul de : • la présence d'un terrain instable • une perméabilité forte à moyenne • une forte charge d'eau, ce dernier point étant un facteur aggravant des deux pre- miers. La boue de forage composée alors d'eau, de bentonite et éventuellement d'additifs com- plémentaires doit permettre, de par ses pro- priétés, de s'affranchir de ces difficultés. 2.2 - FONCTIONS PREMIERES DE LA BOUE DE FORAGE La fonction fondamentale de la boue de forage est d'apporter aux parois de l’excava- tion les qualités permettant d'obtenir un confinement de celles-ci. A cet effet, ses pro- priétés rhéologiques et physiques doivent : • Imperméabiliser les parois de l'excavation aussi bien du front qu'autour du bouclier (dans le cas d’une surcoupe). Celle-ci est nécessaire au développement par le circuit de marinage d’une pression de confinement, ou plus exactement d’une surpression de confinement par rapport à la charge hydro- statique. • Créer et maintenir dans ces mêmes parois un gradient de pression de confinement suf- fisamment élevé en vue d’assurer la stabilité (Voir Annexe 3). Il est parfois admis que les boues de forage et le développement des pressions de confi- nement améliorent les caractéristiques mécaniques des terrains en place par apport d’une cohésion additionnelle et/ou d’un état de contrainte supplémentaire. Au stade actuel des connaissances, ces améliorations n’étant pas quantifiables parce que com- plexes, il n’en est pas tenu compte dans les calculs de stabilité. Il faut noter que ces fonctions fondamentales doivent aussi être assurées lors des interven- tions à des fins de maintenance dans la chambre d’abattage en conditions hyper- bares. Les conditions de la stabilité du front par confinement peuvent être représentées sur le diagramme de Mohr suivant : L’excavation de la galerie provoque une réor- ganisation du champ initial des contraintes. σv a été supposé constant, alors que σh tend vers 0. Le cercle de Mohr initial x se déplace jusqu’à atteindre le cercle critique ➃ au-delà duquel la stabilité n’est plus assurée. Ce schéma est simplifié, il correspond à la stabilité d’un front infiniment grand. Dans la pratique, les calculs de stabilité font appel à des mécanismes tri-dimensionnels. 2.3 - FONCTIONS ET QUA- LITES SECONDAIRES DE LA BOUE DE FORAGE Ces fonctions et qualités, bien que qualifiées ici de secondaires, sont très importantes et peuvent devenir déterminantes dans certains cas particuliers. On notera les cas suivants : ➬ Marinage : la viscosité de la boue en mou- vement doit permettre son écoulement à grande vitesse dans les conduites du circuit de marinage. ➬ Lubrification : la boue peut limiter l'usure du matériel (outils de coupe, tuyaux, vannes, pompes..) en réduisant les frottements maté- riaux-matériel. ➬ Encapsulage du terrain excavé : Dans ce cas, la boue doit réduire l'hydratation des matériaux abattus pour limiter le collage et la ré-agrégation de ceux-ci (en particulier s'il s'agit de matériaux silto-argileux dont la teneur en eau est inférieure au seuil de plasti- cité). ➬ la boue de forage doit être conçue de façon à faciliter son traitement, c'est-à-dire la séparation entre les déblais qu'elle trans- porte et elle-même. ➬ Neutralité vis-à-vis de l'environnement : l’eau, les matériaux et les boues de forage résiduelles doivent être acceptables vis-à-vis des règles d'environnement. x Etat initial ➁ Courbe caractéristique du terrain (C, ϕ) z Cas d’une excavation sans confinement (et instable) ➃ Cercle critique correspondant à une pression de confinement minimale pour assurer la stabilité (sans sécurité et hors charge d’eau) τ Contrainte de cisaillement σ Contrainte normale σh Contrainte normale horizontale σv Contrainte normale verticale σc Contrainte résultant de la pression de confinement (hors charge hydrostatique) τ
  5. 5. A FTES 144 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue 3 - PRINCIPES DE BASE DE FONCTIONNEMENT DES BOUES DE FORAGE 3.1 - FONCTION DE CONFINEMENT 3.1.1 - Généralités La boue de forage pénètre dans le terrain situé au front d’abattage et le long des parois de l’excavation (notamment en cas de surcoupe). En fonction de la perméabilité du terrain et de ses caractéristiques intrinsèques, celle-ci verra son écoulement dans le terrain pro- gressivement ralenti puis bloqué, selon deux processus interdépendants et simultanés : la filtration (pressio-filtration) et l’augmentation de la rigidité de la boue. 3.1.2 - Filtration La surpression agissant dans la chambre d’abattage contraint la boue de forage à migrer dans le terrain au travers des parois de l’excavation. Cette migration ne peut se produire qu’au détriment des éléments solides de la boue qui sont retenus progressi- vement par le terrain en place. Ce processus de filtration s’auto-entretient par apport cumulatif des solides jusqu’à son blocage. Lors de l’abattage, ce filtre est tota- lement ou partiellement détruit au passage de l’outil, mais le processus de filtration se renouvelle aussitôt. Ainsi, ceci conduit à la formation d’une "membrane" appelée "cake", d’épaisseur variable selon la perméabilité du terrain et les caractéristiques de la boue. 3.1.3 - Rigidification de la boue La filtration de la boue à travers le terrain a aussi pour effet immédiat de diminuer la vitesse d’écoulement de la boue de forage. La boue bentonitique est un fluide "bingha- mien" et thixotrope (cf. chapitre 4). En conséquence sa réduction de vitesse d’écou- lement conduit à sa rigidification progressive puis à son blocage. Le blocage est directement lié au seuil (ou limite) d’écoulement appelé aussi "yield value", lequel est l’une des caractéristiques de la boue. 3.1.4 - Nature du cake On distingue deux types de cake : ➬ Le cake membrane : obtenu dans un ter- rain peu perméable, à l’aide d’une boue rela- tivement rigide. Celle-ci ne pénètre que très peu dans le terrain et son effet est de confé- rer une étanchéité superficielle aux parois de l’excavation. Son épaisseur est pluri-millimé- trique. ➬ Le cake imprégnation : dans les terrains moyennement à fortement perméables et à porosité variable, la boue pénètre relative- ment loin dans les interstices du terrain avant son blocage. Cette imprégnation constitue la " paroi " étanche. Son épaisseur est décimé- trique à pluri-métrique. 3.1.5 - Vitesse de formation du cake On a vu précédemment (cf. 3.1.2) que, dans le processus d’excavation, le cake est détruit à chaque passage d’outil mais se reforme aussitôt. Les rhéogrammes (cf. chapitre 4.1) montrent que le seuil d’écoulement de la boue après agitation est inférieur à sa valeur initiale. Pour retrouver cette valeur, un délai est nécessaire, qui doit être aussi court que possible pour reformer l’étanchéité perdue. Il est caractérisé par l’essai dit Gel 0-10 (cf. 4.1.5). 3.2 - FONCTION TRANSPORT Pour le transport hydraulique, la viscosité apparente (cf. 4.1.2) doit être la plus faible possible. C’est l’une des propriétés des liquides dits " binghamiens " dont la visco- sité apparente, au-delà du seuil d’écoule- ment, diminue avec l’accroissement d’agita- tion. Un état d’agitation suffisamment intense est obtenu par la mise en œuvre d’un régime turbulent dans les conduites de mari- nage. 3.3 - FONCTION SEPARA- TION Le processus de creusement et de soutène- ment de l’excavation ainsi que du transport des déblais à l’aide de boue de forage implique nécessairement de traiter celle-ci en vue de : ➬ Séparer les déblais solides de la boue avant son recyclage dans le circuit de marinage ➬ Séparer la boue excédentaire issue des ajouts de boue neuve ➬ Traiter les boues excédentaires pour mise en décharge Les 2 premiers points sont réalisés en temps réel et dimensionnés sur la vitesse de creuse- ment instantanée du tunnelier, alors que le traitement de la boue excédentaire peut se réaliser en temps masqué et se dimensionne sur une vitesse moyenne d’excavation (limité à une période de temps) intégrant les arrêts, la pose des voussoirs… Les caractéristiques rhéologiques et phy- siques demandées à la boue de forage doi- vent prendre en considération cette néces- sité de séparation. Celles-ci peuvent être en contradiction avec les caractéristiques demandées pour le soutènement de l’exca- vation. Un équilibre est donc à trouver pour satisfaire à la fois aux exigences de soutène- ment et de séparation. Une description du fonctionnement de base d’une station de traitement des boues est donnée en Annexe 6. 3.4 - EVOLUTION DE LA BOUE EN COURS DE FORAGE Lors des processus d’excavation, divers élé- ments s’incorporent peu à peu à la boue. Ils peuvent modifier sensiblement ses caracté- ristiques initiales. 3.4.1 - Contamination physique de la boue par la charge solide Les stations de traitement des déblais ne permettant pas d’isoler les éléments très fins, la boue recyclée se charge et voit sa densité augmenter peu à peu au détriment (en général) de ses caractéristiques (yield value, filtrat, …) (cf. 4.2). Une régénération par apport de boue neuve est dans ce cas nécessaire. 3.4.2 - Contamination chimique de la boue Les minéraux ou polluants contenus dans les terrains et/ou dans l’eau des aquifères, peu- vent également altérer les caractéristiques de la boue. Le choix de ses composants doit donc les prendre en considération (cf. 4.3). On veillera aussi à la contamination par le ciment et les produits de traitement préa- lable de terrain. 4 - PROPRIETES DE BASE ET MESURE DES PROPRIETES DES BOUES DE FORAGE La boue de forage utilisée pour les boucliers à confinement de boue est un fluide à base d'eau et de différents éléments solides for- mant une suspension colloïdale. Ces élé- ments sont essentiellement : ➬ Des colloïdes minéraux (principalement des argiles bentonitiques) ➬ Des colloïdes organiques (principalement des polymères).
  6. 6. A FTES 145TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue On trouve de par le monde des centaines de noms commerciaux portant le qualificatif de bentonites ou de polymères, d'où une source de confusion importante car, bien que présentant des analogies, ils possèdent sou- vent des propriétés physico-chimiques, de rhéologie et de filtration très différentes. 4.1 - PROPRIETES RHEOLOGIQUES 4.1.1 - Introduction La rhéologie est la science consacrée à l'étude des déformations et de l'écoulement de la matière sous l'effet de contraintes internes et externes. Dans ce domaine, les boues de forage sont définies par un certain nombre de caractéristiques dont le contrôle et la mesure ont une grande importance car elles conditionnent : ➬ La stabilisation du front de taille ➬ Le marinage ➬ Les performances de préparation et de traitement des boues. Cf. annexe 5 (rhéologie des boues de forage). 4.1.2 - Viscosité apparente (VA) Il s'agit de la "viscosité vraie" de la boue de forage. Toutefois, de tels fluides étant non- newtoniens, leur viscosité dépend de la vitesse d'écoulement. La viscosité est élevée pour des vitesses d'écoulement faibles (lors de la filtration de la boue dans le terrain, dans les bacs de stoc- kage) et, inversement, faible pour des vitesses d'écoulement élevées (dans les conduites de marinage, au niveau des hydro- cyclones) comme illustré sur la représenta- tion graphique ci-dessous : Les graphiques représentant la viscosité sont peu utilisés. La viscosité étant issue des forces de cisaillement qui règnent entre les couches de fluide, on a pris pour habitude d’utiliser une représentation graphique reliant contrainte de cisaillement et gradient de vitesse : c’est le rhéogramme. La viscosité n’apparaît donc plus explicitement. On appelle viscosité apparente le rapport entre contrainte de cisaillement et gradient de vitesse, grandeur qui n’est donc pas constante : Rhéogramme : trait plein Viscosité apparente : trait pointillé La viscosité apparente s’exprime en mPa.s anciennement centipoise (cP). 1 mPa.s = 1 cP 4.1.3 - Viscosité plastique (VP) La viscosité plastique s’applique aux fluides non newtoniens et caractérise les fluides bin- ghamiens. Il s’agit de la pente de la partie linéaire du rhéogramme comme illustré ci- dessous : Dans le cas des boues de forage, la viscosité plastique est considérée en première approximation comme constante. Elle est déterminée par interpolation de la partie linéaire du rhéogramme (comme tracée ci- dessus). Cette grandeur physique est impor- tante pour le calcul des pertes de charge dans les conduites de marinage. Elle dépend avant tout de la teneur en solides de la boue et de leur nature. La viscosité plastique s’exprime également en mPa.s ou cP. 4.1.4 - Seuil d'écoulement Il conditionne la capacité d'une boue de forage à bloquer son écoulement dans le ter- rain. Dans le processus de filtration de la boue sur les parois de l'excavation, les vitesses d'écoulement étant faibles, les contraintes de cisaillement deviennent insuffisantes pour générer l'écoulement d'où blocage. Contrairement à un fluide newtonien, un fluide binghamien exige une contrainte de cisaillement minimale pour pouvoir s’écouler, il se comporte comme un fluide viscoélas- tique. Pour des contraintes inférieures à ce seuil d’écoulement, sa viscosité étant infinie, Fluide newtonien Viscositéapparente Gradient de vitesse
  7. 7. A FTES 146 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue il se comporte comme un solide. La valeur de ce seuil dépend des conditions initiales et augmente avec le temps de repos. Dans la pratique des boues de forage on utilise de façon conventionnelle une valeur détermi- née par l’intersection sur le rhéogramme de la droite obtenue au rhéomètre FANN avec l’axe des ordonnées. Cette valeur conven- tionnelle est représentative d’un seuil extra- polé appelé limite d’écoulement ou Yield Value (cf. ci-dessous). Le seuil d'écoulement d'une boue de forage est dû aux interactions physico-chimiques existant entre les particules actives de la sus- pension ; il dépend également de la teneur de ce type de solides. On notera toutefois qu'une augmentation de la densité et de la viscosité par incorporation de particules inertes ne conduit pas nécessairement à l'augmentation de ce dernier, mais peut au contraire l'abaisser sensiblement. Dans la pratique du creusement, le sol pouvant contenir des particules inertes ainsi que des particules actives (argile), la viscosité pourra donc aussi dans certains cas augmenter avec la densité. La limite d'écoulement s'exprime générale- ment en Pascal (Pa) ou en Livres par cent pieds carrés (lb/ 100 ft2) . La correspon- dance : 1 Pa = 2,084 lb/100 ft2 4.1.5 - Thixotropie et gels Certains fluides ou suspensions colloïdales comme les boues bentonitiques présentent la propriété d'édifier au repos une structure qui de fait augmente la rigidité du fluide et qui peut être détruite par agitation. On appelle thixotropie le fait que ce phénomène soit réversible. Ce processus de construction de la structure n'est toutefois pas immédiat. Comme mentionné au paragraphe 3.1.5, le seuil d’écoulement effectif évolue avec le temps de repos de la boue, lequel permet une restructuration progressive de celle-ci. Cet état est mesuré par les vitesses de for- mation de gel. Dans la pratique, cette pro- priété représente l'aptitude de la boue à reformer plus ou moins vite un cake derrière l'outil excavateur, propriété quantifiée en laboratoire par la mesure des gels 0 et gels 10 (voir glossaire " Thixotropie "). La bentonite possède ce comportement thixotropique, les autres additifs générale- ment utilisés tels que les polymères hydroso- lubles apportant d'autres propriétés (visco- sité, réduction de filtrat, stabilité aux électrolytes…). Le rhéogramme ci-après illustre les concepts présentés ci-dessus. 4.2 - PROPRIETES PHYSIQUES 4.2.1 - Densité de la boue de forage La mesure de la densité d'une boue de forage dessablée permet principalement de contrôler la charge en fines de la boue recy- clée vers le tunnelier. D'autre part, le suivi de son évolution peut renseigner sur les condi- tions au front puisque : • Une augmentation des formations argi- leuses ou marneuses, durant l'excavation, est un indice d'apport de la boue en solides (apport bénéfique ou néfaste selon les cas sur la valeur du seuil d’écoulement ). • Une diminution non consécutive à un ajout d'eau (dilution) est l'indice d'une venue d'eau ou d'un déséquilibre chimique (action des silicates par exemple qui causent un microbullage de la boue). 4.2.2 - Teneur en sable (particules > 80 µm) La teneur en sable résulte des performances de limite de séparation des déblais solides. La présence de sable dans la boue affecte directement la perméabilité du cake et sa stabilité sur les parois de l'excavation. 4.2.3 - Filtration La filtration est la mesure de l'aptitude à imperméabiliser les parois de l'excavation par le processus de formation du cake. Elle dépend de la qualité et de la quantité des éléments qui composent la boue. On notera que la propriété de filtration est en général une fonction inverse de la densité de la boue. 4.2.4 - Qualité du cake Le cake résulte du dépôt de matériaux sur les parois d'excavation lors du processus de fil- tration de la boue. Les qualités intrinsèques d'un cake sont définies par son épaisseur et son aptitude à se déformer sans rupture. Elles sont représentatives respectivement de sa stabilité sur les parois de l'excavation et de sa résistance aux effets mécaniques et hydrauliques induits par l’action d'abattage. 4.3 - PROPRIETES CHIMIQUES 4.3.1 - Présence d'électrolytes L'apport volontaire ou non d'électrolytes tels que les ions Ca++ , Mg+ , K+ , Cl— , SO4— (eau de fabrication, eau de l’aquifère, minéralogie du terrain, zones injectées…) peut modifier considérablement les propriétés physiques et rhéologiques des boues de forage. En effet, l'apport de ces ions modifient les équi- Rhéogramme et viscosité d’une suspension bentonitique (bentonite très Haut Rendement à 25g/L Gradient de vitesse (sec.–1)
  8. 8. A FTES 147TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue libres ioniques et conduit à une séparation de phases par libération des molécules d'eau libre initialement attachées aux feuillets d'ar- gile ou chaînes de polymères : phénomène de floculation. Une attention particulière devra être portée sur la nature des eaux (eau chaulée, eau de mer…) tout au long du creu- sement. 4.3.2 - Variation de pH Une modification du pH affecte également les équilibres ioniques et les propriétés phy- sico-chimiques des boues de forage. En dehors d’une plage de pH de la boue située entre 8 et 10, ce risque de mauvais compor- tement de la boue est significatif tant en milieu acide (par exemple en présence de matière organique) qu’en milieu basique (par exemple en présence de ciment). 5 - MATERIELS ET PROCEDURES POUR LA MESURE DE LA QUALITE DE LA BOUE 5.1 - MATERIELS DE CONTROLE Parmi le grand nombre d'appareillages sus- ceptibles de mesurer les différents para- mètres physiques, chimiques et rhéologiques des boues de forage, nous avons retenu les appareils de mesures de laboratoire et les appareils de mesure en continu ci-après : ➬ Contrôle des propriétés rhéologiques : mesure des VA, VP, YP, gels • Viscosimètre MARSH (peu représentatif dans le cas de cette activité) • Rhéomètre FANN • Eventuellement rhéomètre à gradient de vitesse imposée (Rhéomat ou similaire) - On rappelle que les viscosimètres automa- tiques présents sur certains chantiers déri- vent de la géométrie FANN et permettent ainsi de déterminer les paramètres rhéolo- giques caractéristiques de la boue de forage en " quasi-continu " par mesure des valeurs à 600 et 300 tours/min ➬ Contrôle des propriétés physiques • Densité : Balance à boue type BAROID, densimètre • Teneur en sable : Elutriomètre • Filtration et cake : Cellule de filtration API, et, pour une approche plus réaliste des phénomènes d’interface, grand perméa- mètre (cf. Annexe 7). ➬ Contrôle des propriétés chimiques • pH : bandelettes, ph-mètre • Conductivité : conductivimètre • Surface spécifique ("activité") : valeur au bleu de méthylène • Teneur en électrolytes 5.2 - PROCEDURES La majorité des équipements de contrôle des boues font déjà l’objet de procédures stan- dardisées principalement par l’industrie pétrolière (cf. American Petroleum Institute : section 13, "Recommended practice stan- dard procedure for field testing water based drilling fluids") et l’ISO 13500. Les autres équipements ayant leur propre mode d’em- ploi compte tenu notamment de leurs appli- cations dans d’autres domaines. La valeur au bleu est obtenue à partir d’un essai normalisé (norme NF P18 - 592). 6 - CHOIX DES CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DE LA BOUE 6.1 - PROPRIETES Pour entreprendre l’excavation d’un ouvrage souterrain à l’aide d’un bouclier mécanisé à confinement de boue, les principales carac- téristiques de celle-ci doivent être établies en fonction: • de la nature des terrains à traverser • de la présence ou non d’une nappe phréa- tique ainsi que de ses propriétés chimiques, • des risques identifiés (géologiques, envi- ronnement, …) Parmi les différents critères de définition d’une boue, on retiendra principalement : x Les paramètres rhéologiques, essentiel- lement la limite d’écoulement (YP) et la vis- cosité plastique (VP) Leur connaissance permet de définir : • les conditions d’imprégnation des parois de l'excavation (formation du cake), • les conditions d’écoulement du fluide et de séparation des solides dans le circuit de mari- nage et la station de traitement. Des méthodes de calcul de ces paramètres sont proposées en Annexe 3. ➁ Les propriétés de filtration Elles conditionnent la formation du cake. Ce dernier doit être suffisamment imperméable et déformable pour garantir l'établissement d'un gradient de pression dans l’épaisseur du " cake ". Il permet parfois de limiter l’hy- dratation des horizons géologiques conte- nant des argiles ou des évaporites. z La densité La densité d’une boue de forage dépend des produits constitutifs du fluide. Elle est le résultat de la contamination physique de la boue par apport des fines du terrain recy- clées dans le circuit de marinage et des opé- rations de régénération par apport de boue neuve et d'additifs. Elle interfère sur la viscosité et donc sur les pertes de charges dans le circuit de mari- nage. La perméabilité ainsi que l’épaisseur du cake augmente avec l’accroissement de la den- sité. Ces résultats sont donc néfastes respec- tivement pour l’étanchéité de l’excavation et la tenue des membranes. ➃ Les autres caractéristiques : D’autres caractéristiques (pH, type et dosage en polymère ou sels solubles,...) sont à rechercher pour un meilleur contrôle de la boue, et pour répondre à des exigences d’environnement : • interaction sol-boue lors de l’excavation (sites pollués et zones traitées) • recyclage dans le circuit des déblais, • évacuation des rejets liquides. A titre indicatif, et pour donner des ordres de grandeur, un tableau de paramètrage des caractéristiques en fonction de la perméabi- lité des sols est donné en Annexe 4. 6.2 - ORIENTATIONS DE SOLUTIONS DE BOUE DE FORAGE Le nombre de paramètres à prendre en compte pour le choix d'une solution boue est tel qu'on ne peut, dans le cadre de cette recommandation, définir une démarche pré- établie et exhaustive. Une difficulté s’ajoute aussi dans le cas de front mixte (pour ce qui concerne la géologie). A titre indicatif et d'exercice, une classifica- tion élémentaire de sols sur base de leur per- méabilité et des orientations de solutions correspondantes sont présentées ci-après : x Sols à forte perméabilité à structure gra- nulaire ou fissurée. Solution : boue bentonitique à rhéologie adaptée à la forte porosité ; en particulier limite d'écoulement, gels 0/10, filtrat. ➁ Sols semi-perméables silteux à sableux. Solution : boue bentonitique pure ou adjuvant à faible filtrat et rhéologie adap- tée (cf. ci-avant).
  9. 9. A FTES 148 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue z Sols imperméables sans réactivité ni sen- sibilité particulière à l'eau. Solution : eau, ou boue bentonitique ou/et polymère seul. ➃ Sols imperméables et réactifs. La mise au point de la solution requiert : • de connaître précisément la minéralogie • d'analyser les interactions physiques et chi- miques des minéraux associés et des matières organiques Celle-ci permettra rapidement de définir le meilleur système pour inhiber l’hydratation de l’argile, et donc limiter les problèmes liés au gonflement, à la dispersion ou au collage. On peut distinguer les cas suivants : • Sols à haut pouvoir de dispersion (par exemple en présence d'illites ou kaolinites …) : matériaux se dispersant rapidement et en grande quantité dans la boue. Solution : boue bentonitique et/ou de poly- mère (PHPA , CMC, fluidifiant acrylique ou phosphates..) • Sols gonflants ou fluents (par exemple : smectite, argiles fibreuses …) : matériaux très sensibles à l’hydratation par la boue ou de consistance plastique. Solution : boue polymère inhibée type KCl, Ca++, … • Sols surconsolidés (par exemple : shale, argilite, …) : matériaux dont la structure souvent feuille- tée crée un ensemble fragile Solution : boue bentonitique à faible filtrat et paramètres rhéologiques adaptés. • Sols contenant des évaporites (par exemple : gypse ou anhydrite, divers sels) Solution : eau, boue bentonitique et/ou de polymères traités au carbonate de sodium ; dans certains cas une boue au sel de Ca++ est possible. 7 – CONSTITUANTS DE LA BOUE DE FORAGE 7.1 – COMPOSITION Le fluide de forage est composé d’éléments issus de quatre catégories distinctes : x L'eau de fabrication : • La qualité et la température de l'eau de fabrication influent de manière significative sur les propriétés des constituants. ➁ Les argiles actives (principalement) de type bentonite. z Les additifs organiques et chimiques : • Les additifs organiques sont classés en deux catégories : - les polymères hydrosolubles (cf. Annexe 2) - les produits organiques spécifiques (anti- mousses, antifrictions,...). • Les additifs chimiques : Divers additifs chimiques : KCl, soude, carbo- nate de sodium, polyphosphate de sodium, etc., permettent de modifier les propriétés initiales des colloïdes argileux par échange ionique. ➃ Les solides du terrain et l’eau de la nappe aquifère. Les argiles actives et les additifs sont choisis en fonction de l’effet recherché : • Viscosifiants et réducteurs de filtrat : bento- nites, polymères cellulosiques, polymères acrylates / acrylamides. • Dispersants et fluidifiants : polymères acry- lates de sodium à faible poids moléculaire, phosphates. • Stabilisants des argiles : polymères cellulo- siques et polymères acrylates / acrylamides à haut poids moléculaire, sels. • Correcteur de pH : bicarbonate et carbo- nate de soude Il est à noter que la préparation de la boue (ordre de mélange, puissance de mixage, …) influe sur la performance des composants dans le mélange final. Il faut aussi prendre en compte leurs éventuels effets indésirables: par exemple moussage ou microbullage de tensioactifs détergents. Les fluides de forage sont des produits com- plexes, présentant un ensemble de proprié- tés communes et très sensibles à des fac- teurs extérieurs. Leur étude nécessite des essais de formulation, car leurs propriétés sont en général peu “récurrentes” et dépen- dantes des conditions géologiques et hydro- géologiques. Un programme d’études spécifique préa- lable des boues de forage est recommandé dans la plupart des cas. Ce programme sera validé et éventuellement corrigé en cours de travaux dans le cadre de la gestion technique de la boue ; une démarche est proposée à cet effet dans le chapitre 9. 7.2 – CHOIX DES CONSTITUANTS Les boues de forage sont essentiellement des suspensions colloïdales renfermant deux types de colloïdes : • Les colloïdes minéraux ( principalement des argiles ). • Les colloïdes organiques ( principalement des polymères ). On trouve de par le monde des centaines de noms commerciaux portant le qualificatif de bentonites ou de polymères, d’où une source de confusion importante car, bien que présentant souvent quelques analo- gies, ils aient bien souvent des propriétés physico-chimiques, rhéologiques et de fil- tration très différentes. Le choix de polymères et des bentonites à utiliser dépendra de considérations écono- miques, des performances propres à chaque produit et du contexte dans lequel il sera utilisé et des fonctions demandées sui- vantes : • Niveau de viscosité. • Sensibilité aux sels, au pH, à la dégrada- tion bactérienne ou enzymatique. • Capacité à stabiliser les argiles. • Réduction de filtrat. • Temps d’utilisation. • Facilité de mise en œuvre. • … En plus des méthodologies de contrôle propres à chaque entreprise, il existe une méthode standardisée pour tester l’effica- cité de certains additifs dans divers types de boues : "Recommended practice standard procedure for laboratory testing drilling fluids API RP 13I". Il faut garder en mémoire que l’addition de bentonite ou de polymère à une boue de forage a souvent un double effet : • Un effet principal : augmentation de la viscosité, réduction de filtrat… • Un ou des effets secondaires : inhibition du gonflement ou de la dispersion des argiles, augmentation de la viscosité.. 8 – TRAITEMENT DES BOUES EXCEDENTAIRES (voir annexe 6) Pour être complète la sélection d’un sys- tème boue doit prendre en compte la boue dans toute sa durée de vie, depuis sa fabri- cation, son entretien en fonction des conta- minations physiques ou chimiques atten- dues, jusqu’à son élimination. Il est parfois possible de valoriser les rejets de boue : mortiers ou coulis de blocage ou d’injection, amendement des sols agricoles, étanchéité de sol… Plus généralement, leurs évacuations ou traitements constituent donc une charge d’exploitation importante pour le chantier. De ce fait, il faut donc :
  10. 10. A FTES 149TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue • Prendre en compte cet impératif lors de la recherche d’une solution boue. • Minimiser le volume de rejet. • Limiter le coût du traitement au juste besoin. • Prévoir, dès l'étude préliminaire, les emprises de chantier nécessaires aux installa- tions de traitement Les boues sont des suspensions colloïdales stables de particules difficiles à décanter naturellement. Il faut généralement mettre en œuvre des traitements physico-chimiques pour les clas- sifier et clarifier l’eau extraite. Divers essais-type sont à réaliser préalable- ment pour optimiser la qualité du traitement avant les essais industriels. 9 - LE PROGRAMME BOUE 9.1 - OBJECTIFS Le programme boue est un document de synthèse qui permet de déterminer les types de boue et les moyens de les contrôler pour répondre aux exigences techniques et éco- nomiques du projet. Il a pour objectif de proposer le système répondant au juste besoin. De la boue naturelle aux chimies les plus complexes, les options sont nombreuses et permettent en principe une parfaite adapta- tion aux conditions du chantier. 9.2 - ELABORATION En complément aux chapitres précédents, le programme boue comprendra l’étude détaillée des différents points exposés ci après : 9.2.1 - Aspects réglementaires : environnement / hygiène et sécurité L’utilisation, le stockage et le rejet de déblais et de la boue sont réglementés par la loi n° 92-3 du 3/01/92 sur l’eau et sur les déchets. Celle-ci impose aux acteurs potentiels d’étu- dier soigneusement leurs projets de ce point de vue dès l’origine. Le programme boue ainsi que l’utilisation d’équipement de traite- ment des rejets doivent conduire à limiter le volume des rejets et à optimiser la qualité de ceux-ci vis à vis de l’environnement. 9.2.2 - Conditions de site: géomé- trie du projet, géologie, géotech- nique, et emprises au sol Le programme boue doit tenir compte de la géométrie du projet, de sa géologie, des traitements éventuels de terrain et de son environnement. Dans le dossier géologique, il doit être précisé la nature physique, chi- mique et minéralogique des terrains traver- sés en y incluant les points particuliers. Il est aussi utile de faire figurer sur un profil en long géologique, les traitements des sols préalables en précisant la nature des pro- duits utilisés. Ce profil précise et segmente la succession des différentes formations. Ces données identifient la définition séquentielle des fluides retenus en précisant leurs carac- téristiques les mieux adaptées. Par ailleurs, ce programme doit intégrer les autres conditions relatives au projet, en parti- culier les emprises au sol susceptibles d'être mises à disposition pour la station de traite- ment des boues. 9.2.3 - Matériels Le choix et la définition des matériels (machine et installations de traitement) sont primordiaux. • le programme boue traitera l’adéquation entre le matériel, le terrain et les produits extraits. Il doit tenir compte des fréquentes venues d’eau parasites modifiant les concen- trations initiales. Il sera adapté pour prendre en compte les interventions hyperbares dans la chambre. La prise en compte de ces éléments ainsi que des cadences prévues d’avancement, conduit au dimensionnement de la station de préparation et de traitement de la boue. 9.2.4 - Qualité des constituants (eau, additifs) Le Cahier des charges établi pour la consul- tation des fournisseurs de bentonite et addi- tifs, définit les moyens d’approvisionnement, les stocks nécessaires et la qualité des consommables (eau, adjuvants principaux ). 9.2.5 - Estimatif de consommation En fonction des éléments définis ci-dessus, il sera possible d'estimer les quantités néces- saires et le prix de revient des différentes solutions envisagées (coût total, au m3 de boue, et au m3 excavé). Les quantités prévisionnelles de consomma- tion des différents matériaux sont estimées en tenant compte des volumes suivants : • Volume des purges du circuit de marinage. • Volume perdu dans les formations. • Volume évacué avec les déblais solides. • Volume des boues excédentaires. 9.3 - CONTROLES DE LA MISE EN ŒUVRE ET SUIVI Les contrôles visent à établir un système de vérification des prescriptions et consignes requises ; ils concernent : • Les types et constituants de la boue. • Les caractéristiques imposées. Ces contrôles sont réalisés au moyen de tests normalisés et standardisés et/ou d’autres systèmes de mesure (ex. système d’acquisi- tion en temps réel). • Les traitements des rejets. 9.3.1 - Contrôles & système docu- mentaire Les contrôles doivent être décrits dans les procédures spécifiques du chantier : • Contrôles d’entrée des produits livrés sur le chantier (quantité et qualité) ; ces contrôles de réception des produits sont au besoin couplés avec une prise d’échantillons. • Les contrôles de suivi sont effectués au moins à chaque anneau, en comparant les valeurs à l’entrée du circuit et après dessa- blage pour quantifier au mieux les contami- nations physiques ou chimiques de la boue. • Les consommations en produits (eau, ben- tonites, adjuvants…) sont suivies quotidien- nement. Les résultats de ces contrôles sont reportés sur des fiches de chantier types (cf. annexe 8). Pour formaliser ces données, le système documentaire comprend donc au minimum : - un ensemble de procédures. - un rapport de poste (ou journalier) permet- tant la rédaction d’un document de suivi des paramètres effectifs et des consommations. - un rapport de synthèse de fin de chantier. 9.3.2 - Personnel Il faut prendre en compte la qualification technique du personnel et définir les besoins éventuels en formation spécifique à ces tech- niques. Le personnel et son encadrement doivent avoir suffisamment de connaissances de manière à maîtriser : • La technique des boues de forage et de ses traitements • L’impact de ces techniques sur l’environne- ment, l’hygiène et la sécurité (les fabricants mettent à disposition les fiches techniques et de sécurité ainsi que les précautions d’em- ploi éventuelles).
  11. 11. A FTES 150 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue 10 - MISE EN ŒUVRE DE LA BOUE 10.1 - RECEPTION DES PRODUITS DE BASE La bentonite est un produit à l’origine natu- rel. Si nécessaire, il convient à réception sur le chantier de contrôler ses caractéristiques rhéologiques. La qualité de l’eau devra être analysée lors de la formulation de base. 10.2 - FABRICATION Usuellement, on fabrique des "boues mères" fortement dosées en bentonite en vue de diminuer les volumes de stockage (60 à 80 kg/m3 ). Cette "boue mère" est alors diluée avec de l’eau pour atteindre une densité appropriée juste avant son incorporation dans le circuit de marinage. Ces dilutions et incorporations doivent être faites avec beaucoup de soin en particulier pour ce qui concerne la maîtrise du dosage et la qualité du mélange. Pour ce faire, la sta- tion de traitement des boues doit comporter des équipements spécifiques à cet usage. L’hydratation de la bentonite est difficile et son rendement est très dépendant de l'éner- gie de malaxage déployée. Elle nécessite la mise en œuvre de malaxeur à haute turbu- lence complétée par un temps de maturation minimum (12 à 24 heures). L’incorporation d’additif nécessite égale- ment des équipements spécifiques de stoc- kage, manutention, dilution (le cas échéant) et de dosage. • Activité des argiles : L'activité d'une argile est représentative de sa charge ionique lui conférant un pouvoir de gonflement par adsorption. • Adsorption : Fixation de molécules d’eau sur la surface des particules élémentaires de sol (par exemple, feuillet d’argile). • Bentonite : Cf. annexe 2, chapitre 3. • Boue : ou fluide de forage, suspension col- loïdale d’argile, additionnée ou non de poly- mères hydrosolubles et de sels pour améliorer ses caractéristiques initiales donnant des pro- priétés rhéologiques, de filtration et de stabili- sation éventuelle des matériaux à excaver. • Cake : En laboratoire : épaisseur d’une couche de solide, déposé sur un papier filtre durant le test de mesure du filtrat ; l’unité est le mm. Pour l’excavation, voir définitions aux chapitres 3.1. 2 et 3.1.4 . • Coagulants : Produits qui neutralisent ou inversent les charges de surface des matières en suspension : chlorure ferrique, chaux, sul- fate d’alumine… • Contrainte de cisaillement : C’est la force appliquée par le fluide à une surface et qui provoque le cisaillement (voir aussi annexe 5, chapitre 3). • Densité : Rapport de masse d’un certain volume d’un corps à la masse du même volume d’un corps de référence dans des conditions qui doivent être spécifiés pour les deux corps (l’eau à 4°C pour les liquides) ; elle s’exprime par un nombre sans dimension. • Filtre-presse : Un filtre-presse est constitué d’un ensemble de plateaux évidés, mainte- nus entre une plaque mobile et une plaque fixe par un vérin hydraulique. Les chambres étanches créées ainsi sont recouvertes de toiles de filtration. Le gavage de la boue se fait généralement par le centre des plateaux, et les filtrats sont recueillis dans une goulotte latérale. • Filtrat : Essai de laboratoire caractérisant le pouvoir de rétention d’eau d’un fluide de forage. Le filtrat s’exprime par la quantité de fluide recueilli dans une éprouvette en 30 min sous une pression de 7 bars à l’aide d’un appareil appelé filtre-presse ; l’unité est le ml. Toutes choses égales par ailleurs, le volume de filtrat est proportionnel à la sur- face de filtration, ainsi qu’à la pression et à la racine carrée du temps. • Floculants : Produits qui ont des actions inter-particules par pontage : polymères à hauts poids moléculaires, bentonites… • Fluide : Voir Annexe 5, chapitre 3. • Fluide Binghamien : Fluide pour lequel il est nécessaire d’appliquer une contrainte minimale pour le mettre en mouvement. Le "Yield value" donne la valeur de cette contrainte. • Fluide Newtonien : Fluide pour lequel la contrainte de cisaillement est directement proportionnelle au taux de cisaillement. • Gradient ou vitesse (ou vitesse de cisaille- ment) : Voir annexe 5, chapitre 3. • Limite d’écoulement : Voir article 4.1.4. • pH : Il exprime l’acidité ou la basicité d’une solution aqueuse. Le pH de l’eau pure est 7. Les produits utilisés en boue de forage ont un rendement optimum pour l’état colloïdal de la boue dans une gamme de pH de 8 à 10. • Polymères : Voir annexe 2, chapitre 2. • Rhéogramme : Représentation graphique du comportement d’un fluide soumis à un cisaillement. On trace la contrainte de cisaillement en fonction du gradient de vitesse. • Rhéologie : Branche de la mécanique qui étudie la déformation des matériaux ou leur écoulement sous l’effet de la contrainte (voir Annexe 5). • Rhéomètre FANN : Dispositif normalisé A.P.I permettant d’appliquer un cisaillement à un fluide au moyen d’un cylindre immergé tournant à une vitesse contrôlée, et de déduire la réponse de ce fluide par la mesure de la contrainte appliquée à un cylindre concentrique libre. Les vitesse de rotation disponibles sont de 3, 6, 100, 200, 300 et 600 tr/mn. La lecture de la contrainte est en lbs/100ft2 . Des méthodes calculatoires simples permet- tent d’utiliser ces données pour déterminer les valeurs des différents paramètres rhéolo- giques (viscosité apparente, viscosité plas- tique, Yield point) • Rigidité : Voir article 4.1.4. • Seuil d’écoulement : Voir article 4.1.4. • Thixotropie : Phénomène réversible de certaines suspensions colloïdales se manifes- tant par une fluidification sous agitation et par une reprise sous forme de gel au cours d’un repos. La thixotropie peut être estimée par l’évolution du gel dans le temps. Avec le rhéomètre FANN, les gels sont mesurés par la lecture à 3 tours/min maximum après une attente de 10s GEL 0 et de 10mn GEL 10 ; l’unité est lbs / 100ft2. AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 1111 :::: GGGGLLLLOOOOSSSSSSSSAAAAIIIIRRRREEEE
  12. 12. A FTES 151TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue • Viscosité apparente ou VA : Rapport de la contrainte de cisaillement sur le gradient de vitesse. L’unité est le pascal seconde (ou le milli pascal seconde). Avec le rhéomètre FANN, elle se calcule par la lecture à 600 tours par minute divisés par 2 ; l’unité est la centipoise. (1 centipoise = 1 milli pascal seconde) • Viscosité MARSH ou VM : Essai de labora- toire dans lequel on mesure le temps d’écou- lement en secondes que met 946 ml pour s’écouler à travers un ajutage de 4,75 mm (eau =26s). La mesure obtenue dépend du YP, de la VP, de la thixotropie, de la densité. C'est pourquoi cette mesure indicative est peu représentative des caractéristiques d'une boue. • Viscosité plastique ou VP : Voir article 4.1.3. Avec le rhéomètre FANN, elle se calcule par la lecture à 600 tours par minute moins la lecture à 300 tours par minute, l’unité est la centipoise. (1 centipoise = 1 milli pascal seconde). • Yield value ou YV : C’est un seuil d’écoule- ment extrapolé (voir article 4.1.4) avec le rhéomètre FANN, elle se calcule par la lec- ture à 300 tours/min moins la valeur de la vis- cosité plastique VP. L’unité est alors des lbs/100ft2 . Pour obtenir des Pa, il faut diviser le résultat par 2. • Yield point ou YP : voir Yield value AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 2222 :::: PPPPOOOOLLLLYYYYMMMMEEEERRRREEEESSSS EEEETTTT BBBBEEEENNNNTTTTOOOONNNNIIIITTTTEEEESSSS PPPPOOOOUUUURRRR BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE 1- GENERALITES Polymère : composé chimique provenant de la polymérisation des molécules d’un même composé appelé monomère. Les polymères ont des poids moléculaires souvent élevés et sont formés par la répéti- tion : ➬ d’un même motif : -A-A-A-A-A ➬ ou plusieurs : (-A-B-A-B-A-B)n ➬ ou des motifs linéaires, ramifiés, avec des branches : B-B | (-A-B-A-B-A-A-B-A-B)n | A Le degré de polymérisation (n) rend compte du nombre de répétition du motif de base. Le poids moléculaire fonction du degré de polymérisation et le degré de substitution ainsi que sa répartition contrôlent les pro- priétés physiques et chimiques du produit. Les polymères organiques constituant la grande majorité des produits disponibles sur le marché peuvent être purs ou mélangés, entre eux ou avec des produits inorganiques tels que : argiles, sels, carbonates… 2 - TYPES DE POLYMERES UTILISES EN BOUE DE FORAGE Nous distinguons 4 familles de polymères hydrosolubles : ➬ Polymères d’origine bactérienne : gomme, xanthane, scleroglucane ➬ Polymères d’origine naturelle : amidons, guars ➬ Polymères synthétiques : acrylamides, acrylates ➬ Polymères semi-synthétiques : éthers de cellulose, amidons et guar modifiés 2.1 - AMIDONS ET DERIVES AMYLACES Extraits de divers féculents : pomme de terre, maïs, blé, riz…Les amidons sont for- més d’amylose et d’amylopectine. Les amidons sont hydrolysés à chaud, ce qui accroît leur solubilité dans l’eau. Ils sont sensibles à la fermentation et sont peu utilisés, sinon comme réducteurs de fil- trat en boue. L’éthérification leur confère un meilleur niveau de viscosité. 2.2 - GOMMES DE GUAR Extrait de la graine de guar, ils sont souvent appelés polymères naturels ou polysaccha- rides et sont utilisés comme viscosifiants. Leur caractère non ionique leur confère une bonne tolérance aux sels monovalents : NaCl, KCl, … ou divalents : CaCl2…Ils sont cependant sensibles aux attaques bacté- riennes, aux enzymes, à l’oxydation et aux pH élevés. Leur “tamisabilité” est difficile. Il est possible de les réticuler pour obtenir une gelée rigide par formation de ponts liant les différentes chaînes de polymères. 2.3 - XANTHANES Ils proviennent de la fermentation bacté- rienne de résidus sucriers et sont souvent appelés biopolymères et sont utilisés comme viscosifiants. Leur caractère pseudo plastique : (viscosité élevée aux faibles taux de cisaillement et une viscosité faible aux taux de cisaillement éle- vés) est recherché dans les boues à faible concentration en bentonite. Malgré leur caractère anionique ils possè- dent une bonne résistance aux différents sels. 2.4 - ETHERS DE CELLULOSE Extrait de la cellulose, nous trouvons selon le procédé de fabrication des produits anio- niques : CMC, PAC ou des non ioniques : HEC. Les CMC sont largement utilisées comme viscosifiant et réducteur de filtrat. Cette annexe a pour objet de présenter les principales familles de polymères utilisées en travaux souterrains.
  13. 13. A FTES 152 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue Les CMC sont caractérisées par : ➬ Leur poids moléculaire : Les produits obtenus donnent des solutions aqueuses d’autant plus visqueuses que le poids moléculaire est élevé. ➬ Leur degré de substitution : ou nombre de groupements carboxyl fixés sur la molécule (DS= 0.7 – 1.2 ). Cette caracté- ristique leur confère solubilité et résis- tance aux sels. Si la substitution est plus régulière comme dans le cas des PAC, une stabilisation des argiles est accrue en réduisant leur hydratation et donc leur dispersion et gonflement. ➬ Leur degré de pureté : c’est à dire leur teneur en matière active, les autres pro- duits étant des sels, sous produits de la réaction (degré de pureté = 50 à 99%). Les éthers de cellulose ne sont pas stables aux dégradations bactériennes ou enzyma- tiques. 2.5 - POLYACRYLAMIDES Les polyacrylamides sont des dérivés de l’acrylamide. Toute une série de dérivés a été préparée à partir de cette structure de base par copolymérisation : ➬ Soit avec des composés acides comme l’acide acrylique pour donner des copoly- mères anioniques : PHPA.. ➬ Soit avec des composés du type amine pour donner des copolymères cationiques Polymères anioniques, non ioniques ou catio- niques à longues chaînes et poids molécu- laires élevés purement synthétiques, stables à la dégradation bactérienne ou enzyma- tique mais sensibles au fort taux de cisaille- ment. Ils sont utilisés comme viscosifiant, flo- culant associé ou non avec un coagulant, stabilisant des argiles Le motif de base est répété un très grand nombre de fois et a subi une hydrolyse plus ou moins poussée, ce qui mène à une grande variété de produits avec des caractéristiques variées en ce qui concerne : ➬ La viscosité ➬ L’adsorption sur les argiles ➬ La résistance à l’écoulement ➬ La sensibilité aux sels 2.6 - POLYACRYLATES Polymères synthétiques anioniques à faible poids moléculaire utilisé comme fluidifiant, dispersant. Il existe d’autres variétés avec des poids moléculaires plus élevés, utilisés comme réducteur de filtrat ou dopant des bento- nites. 3 - BENTONITES La composition centésimale brute de la Montmorillonite est celle d'un silicate d'alu- mine et de magnésie hydratée, comme beaucoup de silicates naturels, mais ses pro- priétés exceptionnelles sont dues à une structure moléculaire particulière, caractéri- sée par les éléments ci-après. 3.1 - STRUCTURE DE LA BENTONITE Le feuillet élémentaire de la Montmorillonite est composé de deux couches tétraédriques Si++++ , appliquées de part et d'autre d'une couche octaédrique dont le centre est occupé par un cation tel que Al+++ . L'ensemble de ces trois couches constitue un feuillet élémentaire d'une épaisseur de 10 Å environ. Le plus petit volume présentant toutes les caractéristiques du cristal est constitué d’un sandwich de deux couches de feuillets élé- mentaires précités. Pratiquement, on a toujours affaire, soit à des particules primaires d'une dizaine de feuillets, soit à des micro-agrégats ou à des agrégats de feuillets composés de quelques centaines de feuillets. Ceux-ci constituent les particules les plus fines d'une bentonite bien dispersée dans l'eau et les dimensions de ces particules sont ultra-microscopiques (0,1 à 2 microns). Au cours des réactions d'altération des roches éruptives (pegmatites, diorites, rhyo- lites, cendres), un certain nombre de migra- tions de cations ont provoqué des substitu- tions de Si par Al, par exemple, dans les couches tétraédriques et de Al par des cations Mg-Fe-Li, etc., dans la couche octa- édrique. Les substitutions de cations de valence moindre provoquent des excès de charge négative dans le feuillet. Cet excès est com- pensé par des cations entre les feuillets (exemple Na+ , Ca++ ) ; ils sont à l'origine de la capacité d'échange de cations, caractéris- tique essentielle pour les bentonites (CE exprimé en milliéquivalents de cation pour 100 g de bentonite calcinée à 1000° C). Ces substitutions, en nombre très variable, se faisant toujours d'une façon désordonnée et selon de très nombreuses combinaisons, on imagine facilement la très grande variété de bentonites qui en résulte. Les cations échangeables qui sont fixés sur les charges négatives disponibles, sont loca- lisés dans les espaces interfoliaires et sur les cassures des feuillets. En milieu aqueux, les molécules d'eau se fixent entre les feuillets qui s'écartent et pro- voquent ainsi le gonflement intra-structural de la bentonite. L'espace interfoliaire devient le siège d'échanges de cations. Certaines propriétés importantes des bento- nites dépendent étroitement de la nature et du nombre de ces cations échangés. Ce sont : le gonflement, la viscosité des suspensions, la plasticité, les limites d'Atterberg, ainsi que quelques autres caractéristiques spécifiques à la fonderie… Par ailleurs, la nature des cations échan- geables présents dans les bentonites natu- relles, permet de classer ces dernières en deux catégories : ➬ Les bentonites calciques naturelles : Où les cations échangeables sont constitués généralement par des cations Ca++ et Mg++ en diverses proportions. ➬ Les bentonites sodiques naturelles. Où les cations échangeables sont en majo- rité des cations Na+ (70 - 80%), avec 20 à 30% environ de cations Ca++ et Mg++ . 3.2 - PROPRIETES DE LA BENTONITE Les propriétés d'une bentonite dépendent de l'ensemble des caractéristiques minéralo- giques évoquées précédemment soit en résumé : ➬ de la nature et de la variété de la Montmorillonite. ➬ de la pureté de la bentonite brute (% de Montmorillonite). ➬ de la taille colloïdale des particules hydratées (1-2 µm). ➬ de la surface spécifique (indiquée en m2 /g). ➬ de la capacité d'échange de cations. ➬ de la nature des cations échangeables (alcalin - alcalino-terreux). ➬ du comportement au chauffage (jusqu'à 1000°C). ➬ de la présence éventuelle d'électrolytes (action stabilisante ou floculante). Les propriétés d'une bentonite dépendent également de l'état physique dans lequel elle se trouve. Elle peut être à l'état solide, semi-solide, plastique, semi-liquide ou liquide, selon les proportions de bentonite et d'eau. Les propriétés essentielles de la bentonite sont les suivantes : ➬ propriétés adsorbantes. ➬ propriétés liantes, agglomérantes, adhé- sives.
  14. 14. A FTES 153TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue ➬ propriétés rhéologiques (suspensions colloïdales). ➬ propriétés colmatantes (suspensions col- loïdales). 3.3 - BENTONITE POUR TRAVAUX SOUTERRAINS Selon leur utilisation : forage à grande pro- fondeur ou de surface, fondations spéciales, coulis bentonite/ciment, tunneliers ou étan- chéité des sols, les producteurs de bentonite proposent différentes bentonites adaptées à chaque besoin. Les performances de ces produits dépen- dent de leur origine, du traitement de ces matières premières en usine : activation (car- bonate de sodium ou autres sels pour les bentonites calciques), séchage, broyage, addition éventuelle de dopes minérales ou organiques (CMC, acrylate/acrylamide…). Il convient d’effectuer les tests nécessaires pour sélectionner les produits répondant le mieux aux caractéristiques demandées dans le programme boue. A ce sujet, les interactions bentonites/poly- mères , la stabilité dans le temps…devront être soigneusement étudiées. AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 3333 :::: PPPPRRRRIIIINNNNCCCCIIIIPPPPEEEE DDDD’’’’EEEEVVVVAAAALLLLUUUUAAAATTTTIIIIOOOONNNN DDDDEEEESSSS CCCCAAAARRRRAAAACCCCTTTTEEEERRRRIIIISSSSTTTTIIIIQQQQUUUUEEEESSSS RRRRHHHHEEEEOOOOLLLLOOOOGGGGIIIIQQQQUUUUEEEESSSS DDDDEEEESSSS BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE Le principe même du soutènement par pres- sion de boue repose sur la possibilité de mobiliser une pression dans un liquide face à un sol, saturé ou non, soumis à un état de contraintes. Le sol est ainsi un milieu poreux, siège d’un écoulement d’un liquide dont les caractéris- tiques rhéologiques sont représentées par le modèle de Bingham. La pénétration de la boue a été étudiée expérimentalement par divers constructeurs et laboratoires, à l’aide de perméamètres grand modèle (voir Annexe 7). Les montages utilisés comprennent un cylindre rempli du sol à étudier dans lequel on fait pénétrer la boue grâce à une différence de charge hydrostatique. On peut ainsi mesurer le gra- dient de pression, la longueur de pénétra- tion, le débit écoulé. Dans le cas extrême d’un terrain très ouvert avec une boue très fluide, il s’établit un écou- lement sous l’effet de la (sur)pression "hydrodynamique " qui cesse de se produire lorsque la boue arrête de s’infiltrer dans le terrain sous l’effet des pertes de charges ou du seuil d’écoulement caractérisant la boue. Expérimentalement, on constate que le volume de terrain à traverser peut être insuf- fisant pour bloquer l’infiltration de la boue et que dans ce cas, il s’établit un écoulement permanent à travers le terrain, caractérisé par un débit. Ce cas de figure extrême correspond à l’éta- blissement d’un régime hydraulique d’écou- lement dans un sol à partir d’une pression hydrodynamique. La pression ne peut être maintenue qu’en contrepartie d’un débit généralement élevé peu favorable à moyen terme à l’effet de soutènement recherché. Par contre, dès qu’un " film " (film poly- ane par exemple) empêche cet écoule- ment, c’est la poussée hydrostatique qui est mobilisée. C’est le mécanisme recher- ché dans le soutènement à pression de boue : idéalement la formation d’un film ou d’une membrane, plus généralement d’une zone colmatée appelée " cake " pour mobili- ser tout ou partie de la poussée hydrosta- tique potentielle. Le cake est de type " membrane " ou "imprégnation " (voir chapitre 4.1.2 et 4.1.4) La stabilité du massif de sol soutenu dépend de la stabilité des grains de sol au parement. Si l’on étudie la stabilité d’un volume infinité- simal d’un sol sans cohésion au bord de la surface libre, on démontre [1] que le gradient de pression nécessaire pour assurer la stabi- lité peut être calculé par la relation avec n = porosité du sol γs = poids spécifique des grains solides γb = poids spécifique de la boue ϕ = angle de frottement interne du sol α = inclinaison de la surface libre / hori- zontale Sol saturé par la boue γ - γb = (1 - n ) (γs - γb ) pour α = 90° La boue, considérée comme agissant comme un fluide de Bingham parfait, apporte un gradient dit " gradient de stag- nation " à cause de ses propriétés thixotro- piques, en relation avec les caractéristiques de perméabilité et de porosité du terrain (diamètres des pores). Ce gradient de stag- nation fso a été étudié à la fois théorique- ment et expérimentalement : 1. Théoriquement : l’étude de la mobilisation de l’écoulement d’un fluide de Bingham pos- sédant un seuil de cisaillement τf dans un tube circulaire de rayon R démontre que le débit dans le tube s’annule si le gradient hydraulique δp /L satisfait la relation R = 2τf x[L/δp] soit une relation du type : fso = 2. Des études expérimentales [2,3] ont mis en évidence une relation entre R et le d10 du ter- rain en place (d10 en mm) : ∆ρtgϕ.dS > (γ - γb). dv soit
  15. 15. A FTES 154 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue fso = a. τf / d10, avec a variant de 0.25 à 2. a = coeff sans dimension 3. Plus récemment, des études théoriques et expérimentales [4] ont conduit à l’établisse- ment d’une relation du type : fso = K étant la perméabilité horizontale du terrain en place (m/s), A un coefficient adimensionnel compris entre 5 et 10, augmentant en théo- rie avec le degré de dispersion des dia- mètres des pores du terrain, et diminuant avec le colmatage progressif du terrain par la boue. La comparaison des 2 gradients, l’un exigé par le terrain et l’autre apporté par la boue s’infiltrant dans le terrain, avec le coefficient de sécurité inhérent à l’incertitude sur les valeurs des paramètres (F ≥ 2) permet, en fonction des conditions de terrain, de déter- miner les valeurs du seuil de cisaillement nécessaire τf pour la boue. Lorsque les pores sont de trop grande dimension, la valeur de τf à obtenir peut être élevée. En alternative à la démarche qui consiste à jouer sur les caractéristiques de la solution de bentonite (augmentation de la concentration, additivation…) il peut être envisagé de réduire le diamètre des pores, par exemple par adjonction de fines d’argile ou de sable. Les particules ajoutées forment un mélange granulaire d’une dimension maximale dboue que l’on peut tenter de caractériser par : d15sol ≤ 5dboue (condition de filtre) Selon certains auteurs [2] , l’expérience montre que des relations du type d15sol ≤ 8dboue ou encore d20sol = 3dboue sont acceptables. REFERENCES [1] Les boucliers à pression de boue, par J. FERRAND et J. PERA – Annales de l’ITBTP n° 420 (décembre 1983) [2] Stability of slurry trenches – MULLER–KIRCHENBAUER – 5è Congrès International de Mécanique des Sols Madrid 1972, IV-12. [3] Nachweis des Sicherheit gegen den Schlitz gefährende gleitflägen im Boden, nach DIN 4126 Vornorm. KILCHER (M) et KARSTEDT (J). [4] La prévention des fontis dans les travaux au tunnelier : des études en temps réel. P. ARISTAGHES, F. BERBET, P. MICHELON – T.O.S. n° 128 Mars/Avril 1995. [5] Imperméabilisation du front de taille par injection de boue bentonitique préalablement à des interventions hyperbares (BPNL) – B. DEMAY, L. NICOLAS – T.O.S. n° 150 – nov./déc. 1998. AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 4444 :::: TTTTAAAABBBBLLLLEEEEAAAAUUUU IIIINNNNDDDDIIIICCCCAAAATTTTIIIIFFFF DDDDEEEE PPPPAAAARRRRAAAAMMMMEEEETTTTRRRRAAAAGGGGEEEE DDDDEEEE LLLLAAAA BBBBOOOOUUUUEEEE DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE Le tableau ci-dessous donne des ordres de grandeurs sous forme de fourchette de paramètres de la boue en fonction de la perméabilité pour un terrain homogène. Ces valeurs ne fournissent que des ordres de grandeur pour illustrer la recommandation. SOLS TYPES Paramètres Unité Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 K>1*10-4 m/s 10-7 <K<10-4 m/s K<1*10-7 m/s K<1*10-7 m/s perméables semi-perméables imperméables neutres imperméables réactifs (alluvions..) (sols sableux..) (craie..) (argile..) Type 2 VA cp 15 - 40 10 - 20 8 - 20 VP cp 5 - 20 5 - 10 5 - 10 YP Pa 8 - 5 5 - 10 < 15 Gels 0 / 10 Lbs/100ft2 10 - 30 3 - 20 sans objet Filtrat ml 20 - 50 15 - 30 sans objet Cake (Test API) mm 2 - 6 1 - 5 1 - 5 V Marsh s/946 ml 40 - 120 35 - 50 30 - 50 Densité 1.02 - 1.15 1.02 - 1.20 1.02 - 1.60 1.02 - 1.30 pH 7 - 10 7 - 10 7 - 10 Sable % 1 – 5 1 - 5 1 - 5 (méthodes de test normalisé “ Recommended practice standard procedure for field testing water based drilling fluids API RP 13 B-1 du 01 juin 90)
  16. 16. A FTES 155TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue 1 - DEFINITION DE LA RHEOLOGIE La rhéologie peut être définie comme la science de l’écoulement et de la déformation de la matière. Elle permet d’étudier les réac- tions de toutes les substances solides ou liquides aux forces déformantes et de les classer sous des vocables précis et, dans les cas les moins complexes, d’établir des équa- tions empiriques qui rendent compte des déformations. Ainsi elle permet de préciser les propriétés que nous désignons sous des termes vagues tels que : gras, maigre, poisseux, vis- queux…Mais remet en cause des concepts qui nous semblent familiers tels que solide et liquide : soumis à des contraintes de longue durée la plupart des " solides " s’écoulent et se déforment. Les vitraux des cathédrales, plus épais en base qu’au sommet, sont une des preuves les plus spectaculaires du com- portement fluide du verre. 2 - RHEOLOGIE DES FLUIDES DE FORAGE La rhéologie des boues de forage peut être définie par un certain nombre de grandeurs : viscosité, gels, etc. … dont le contrôle et la mesure ont une grande importance pratique car elles conditionnent : ➬ Le dimensionnement des pompes ➬ Le nettoyage de l’excavation et la mise en suspension des déblais ➬ Des vitesses de circulation correctes 3 - DEFINITIONS ET TERMINOLOGIE Fluide : Un fluide est un milieu matériel continu déformable, sans forme propre, et qui peut s’écouler et subir de grandes déformations sous l’action de forces qui peuvent être très faibles. Les liquides et les gaz sont tous les deux des fluides mais là où un liquide occupe un volume déterminé qui varie peu avec les conditions extérieures (température, pres- sion…), un gaz occupe toujours le maximum de volume qui s’offre à lui. Par la suite, on assimilera, par abus de langage, tout fluide à un liquide. Ecoulement laminaire : Un écoulement laminaire correspond à un écoulement hydraulique particulier, caracté- risé par la conservation de la forme des filets liquides au cours de leur déplacement. Reynolds a défini une grandeur qui porte son nom et qui détermine le type d’écoulement (laminaire, transitoire ou turbulent) au sein d’une conduite. Viscosité : La viscosité traduit les forces de frottement existant entre les particules d’un fluide ; elle atteste de " l’imperfection " de sa fluidité. On rappelle que la notion de viscosité n’est concevable que dans le cas de mise en mou- vement d’un fluide. Gradient de vitesse (de cisaillement) : Un fluide s’écoulant en régime laminaire est assimilable à un empilement de couches glis- sant les unes sur les autres, animées d’une vitesse propre. Le gradient de vitesse entre deux plans quelconques du fluide est donc le quotient de la différence de vitesse des deux plans, par la distance les séparant. Le gra- dient de vitesse, parfois appelé gradient de cisaillement (ou encore taux de cisaillement), a pour dimension l’inverse d’un temps. Il s’exprime en s–1 . Contrainte de cisaillement : La contrainte de cisaillement est la résultante des forces de frottement internes qui s’op- posent à l’écoulement du liquide. Elle dépend du gradient de vitesse du fluide et son évolution en fonction de ce dernier caractérise la réponse de la matière aux forces déformantes permettant donc de définir son comportement rhéologique. La contrainte de cisaillement est parfois dési- gnée sous le terme de tension de cisaille- ment ; on la rapporte toujours à une unité de surface de sorte qu’elle est homogène à une pression et s’exprime donc en Pa dans le sys- tème international (S.I). 4 - MODELES RHEOLOGIQUES En régime laminaire l’écoulement d’un liquide est caractérisé par une relation entre une contrainte de cisaillement et une vitesse de déformation. Suivant les types de fluides, cette relation peut prendre plusieurs formes dont les plus usuelles sont : Le modèle de NEWTON : τ = η x G avec τ : contrainte de cisaillement G : gradient de vitesse η : viscosité Le modèle de BINGHAM : τ = YP + VP x G avec YP : limite d’écoulement VP : viscosité plastique AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 5555 :::: RRRRHHHHEEEEOOOOLLLLOOOOGGGGIIIIEEEE DDDDEEEESSSS BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE
  17. 17. A FTES 156 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue Le modèle de OSTWALD : τ = K x G N avec K : indice de consistance N : indice de comportement rhéolo- gique Ci-dessous les rhéogrammes représentatifs de ces trois modèles : Pratiquement ces modèles théoriques très simples ne s’appliquent que de façon impar- faite aux fluides de forage qui possèdent généralement un comportement de type plastique ou pseudo-plastique: ils ne peu- vent définir un fluide que sur une plage limi- tée de gradient de vitesse. C’est la raison pour laquelle d’autres modèles ont été déve- loppés. Ils s’inspirent pour la plupart des modèles de base vus précédemment. Le modèle de HERSCHEL-BULKLEY : τ = YP + K x G N Ce modèle constitue une synthèse des trois modèles précédents car il permet selon la valeur des paramètres YP, K et N de pouvoir tous les représenter : • YP = 0 , N = 1 : modèle de NEWTON (K = η) • YP = 0 , N ≠ 1 : modèle de OSTWALD • YP>0,N=1:modèledeBINGHAM(K=VP) Ce modèle permet une représentation plus fidèle du comportement des boues de forage et permet d’introduire ultérieurement des notions d’évolution de gel au cours du temps (YP = f (t)) caractéristique des phéno- mènes de destructuration-restructuration Le modèle de STEIGER-ORY : G = aτ3 + cτ Il a été développé à partir d’hypothèses de symétrie et de continuité ( courbe passant par l’origine, symétrie de la représentation). La formule permettant de dessiner le rhéo- gramme représentatif est une fonction mathématique G = f (t ) dont les termes n’ont pas vraiment de significa- tion physique mais cette équation présente l’avan- tage de pouvoir illustrer le comportement de nom- breux fluides : newtonien, plastique, pseudo-plas- tique. Nous nous bornerons à citer la formule empirique dite de STEIGER-ORY et à présenter les diffé- rentes variantes en fonc- tion du signe des coeffi- cients a et c. Si : a = 0, la courbe est une droite passant par l’origine, le fluide est newtonien de viscosité h = 1/c (1) a < 0, n’a pas de signification a > 0, le liquide est pseudo-plastique ou plastique selon le signe de c c < 0, la courbe possède, en plus de l’origine, deux point d’intersection avec l’ordonnée. Il existe une limite d’écoulement, le liquide est plastique et voisin d’un binghamien (2) c > ou = 0, le liquide est pseudo-plastique (3) c = 0 correspondant à un cas particulier où le liquide peut être considéré comme un plas- tique dont la limite d’écoulement a été déplacée jusqu’à l’origine.
  18. 18. A FTES 157 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 6666 :::: PPPPRRRRIIIINNNNCCCCIIIIPPPPEEEE DDDDEEEE FFFFOOOONNNNCCCCTTTTIIIIOOOONNNNNNNNEEEEMMMMEEEENNNNTTTT DDDD’’’’UUUUNNNNEEEE SSSSTTTTAAAATTTTIIIIOOOONNNN DDDDEEEE TTTTRRRRAAAAIIIITTTTEEEEMMMMEEEENNNNTTTT DDDDEEEESSSS BBBBOOOOUUUUEEEESSSS DDDDEEEE FFFFOOOORRRRAAAAGGGGEEEE 6.1 - SEPARATION DES DEBLAIS SOLIDES DE LA BOUE : (en temps réel) 6.1.1 - Scalpage : Séparation des gros éléments > 6 mm environ : graviers et cailloux mais également boules et copeaux de terrain non dilués. a) Scalpage par crible vibrant : Pour terrains sableux et caillouteux peu collants b) Scalpage par trommel rotatif : Particulièrement adapté aux terrains argileux collants et colmatants 6.1.2 - Dessablage : Séparation du sable de la boue Réalisé par 1, 2 ou 3 étages en série d’hydro- cyclones avec la possibilité d’utiliser des cen- trifugeuses pour affiner la séparation des silts. 6.1.3 - Essorage : • Les essoreurs vibrants sont équipés de grilles à fissures présentant une légère contre-pente. Ils sont utilisés pour essorer les sous-verses des cyclones. Les sables et les silts en sortie d’essoreur ont des humidités résiduelles comprises entre 10 et 20% selon les caractéristiques de la boue de marinage. • A la différence du crible, Il existe un phé- nomène d’ " autodésaturation " au niveau d’un essoreur : avec une charge circulante établie, il se crée une sous-couche filtrante de matériaux. ➬ Du fait de la diversité des terrains rencon- trés et des importantes plages de viscosité de la boue de marinage, un ensemble de dessablage avec 2 étages de séparation + essorage est généralement adapté pour la majorité des creusements, le deuxième étage permettant d’affiner la coupure relati- vement grossière effectuée par le 1° étage. 6.2 - SEPARATION DE LA FRACTION BOUE EXCEDEN- TAIRE DE LA BOUE RECYCLEE : (en temps réel) Les boues, après dessablage et dessiltage, sont en grande partie recyclées après correc- tion par de la boue neuve afin de maintenir les qualités rhéologiques souhaitées. La frac- tion excédentaire est évacuée pour maintenir l’équilibre volumique et massique (densité et niveaux). 6.3 - TRAITEMENT DE LA BOUE EXCEDENTAIRE : (en temps partiellement mas- qué) Intimement lié à la consistance des déblais requise (liquide, pâteux ou solide) et à la nature des eaux de rejet et d’exhaure (PH, MES, Hydrocarbures…) Le cyclonage est un procédé de séparation liquide/solide basé sur le principe de la force centrifuge. La boue est injectée tangentiellement dans la partie cylindrique du cyclone. Le mouvement de vortex ainsi créé conduit les par- ticules lourdes et donc grossières à être plaquées sur les parois du cyclone et à descendre le long du cône avec le flux inférieur, alors que les particules les plus fines qui sont moins soumises à la force centrifuge sont emportées par le flux supérieur. La finesse de séparation augmente si la vitesse d’alimentation augmente, et un hydrocyclone de petit diamètre donne également une finesse plus élevée. La maille de coupure, ou d50, est la dimension de la particule qui a autant de chances de se retrouver dans la sur- verse (overflow) que dans la sous-verse (underflow). Elle correspond à la classe granulométrique exactement parta- gée en deux par l’appareil. On peut utiliser la formule empirique de Yoshioka et Hotta pour calculer le d50 intégrant la viscosité : 0,2 x 106.Dc 0,1 x D0 0,8 x Di 0,6 x √η d50 (µm) = √Q x √(ρs - ρp) d50 : maille de coupure en µm Dc : diamètre du cyclone en m D0 : diamètre de l’overflow en m 2 x d50 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Di : diamètre équivalent de l’entrée du cyclone en m η : viscosité apparente de la boue ≈ 1 + 2,5 x ((ρp –1) / (ρs –1) ) en mPa.s ρp : densité pulpe en kg/ m3 ρs : densité réelledes solides en kg/ m3 Q : Débit d’alimentation en m3 /s On trace une courbe de partage en portant en abscisse la dimension des grains et en ordonnées le pourcentage massique de la tranche granu- lométrique passant dans la sous-verse. Une courbe est généralement linéaire entre les points d25 et d75 ce qui permet de caractériser la cou- pure par le coefficient d’imperfection I : d75 – d25 I = ; plus I est faible, meilleure est la coupure (ª 0,3-0,4 pour les cyclones) Fonctionnement d’un hydrocyclone : (source : Mines et Carrières / L’épuration physico-chimique des eaux)
  19. 19. A FTES 158 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue 6.3.1 - Epaississement par floculation-décantation sous forme de boue pâteuse : • La floculation nécessite des concentrations d’effluents de l’ordre de 20 à 30 g/l de matière sèche ce qui implique généralement un important recyclage d’eau pour la dilution avant traitement. • Les particules d’argile sont formées d’un empilement de feuillets élémentaires de surface spécifique variable (≈ 20 m2/g pour la kaolinite / ≈ 100-150 m2/g pour la bento- nite de chantier) : cette structure explique le fort pouvoir de gonflement de la bentonite. On distingue une couche d’eau adsorbée à la surface de la particule (double couche ionique) chargée électriquement de cations (+) facilement échangeables. Ce potentiel est croissant avec la surface spécifique des parti- cules. La présence plus ou moins importante de bentonite implique généralement une phase de coagulation par adsorption de cations diminuant le potentiel de la double- couche ionique suivi d’une adjonction d’un floculant (généralement polymère synthé- tique type polyacrylamide) afin de former des ponts interparticulaires. (consommation de coagulant ≈ 100 - 200 ml/T de matière sèche - consommation de floculant ≈ 100 - 200 g/T de matière sèche) 6.3.2 - Traitement complémentaire par pressage pour obtenir des déblais solides manutentionnables en vrac : La filtrabilité des boues bentonitiques est généralement mauvaise (r0,5 = 1014 à 1015 m.kg–1 ) • L’emploi de filtre à bande nécessite une surfloculation des boues en amont et n’est possible que dans le cas de boues ayant une faible résistance spécifique (r0,5 < 1011 m.kg–1 ) et compressible (s>1) car les pressions de fil- tration utilisables sont relativement faibles (de 0,3 à 1 bar). • Un filtre-presse permet dans la plupart des cas d’obtenir des galettes dures de nature solide pour des boues de forte résistance spécifique (r0,5 = 1015 m.kg–1 ) avec des pres- sions de filtration utilisables de 0 à 20 bars. Un traitement préalable par addition de chaux ou autre produit d’aide à la filtration est généralement nécessaire afin de per- mettre la déshydratation d’une boue de résistance spécifique r0,5 / 1012 m.kg–1 . 6.3.3 - Indices de filtrabilité des boues : (d’après le Mémento tech- nique de l’eau Degrémont) 6.3.3.1 Résistance spécifique à la filtra- tion • Utiliser une cellule de filtration type filtre- presse Baroïd à air comprimé avec filtre en papier. • Verser 100 à 150 ml de boue dans la cellule • Laisser s’écouler le filtrat et noter le volume V0 Appliquer la pression désirée (de 0,5 à 16 bars) et noter le volume de filtrats toutes les 10, 15, 20, 30 ou 60 secondes selon la vitesse d’écoulement du filtrat. • Les volumes des filtrats V0, V1, V2… corres- pondent au temps T0, T1, T2… • Porter sur un graphique les points ayant pour abscisse Vx et pour ordonnées Tx / ( Vx – V0) et mesurer la pente A de la partie linéaire de la courbe r = résistance spécifique en m.kg-1 r = ( 2 A P S2 ) / ( η C ) Où P : pression de filtration en Pa A : Pente de la droite obtenue dans l’es- sai de filtrabilité en s.m-6 S : surface de filtration en m2 η : viscosité dynamique du filtrat en Pa.s (voisin de 1,1 x 10-3 Pa.s à 20°C) C : résidu sec à 105°C divisé par le volume des boues en kg.m-3 ➬ Le comparatif entre les différentes boues se fait généralement à partir de r0,5 (0,5 bar de pression) : ➬ Si r0,5 = 1014 à 1015 m.kg-1 : boues très diffi- cilement pressables nécessitant un adju- vant type chaux pour aider à la filtration ➬ Si r0,5 = 1x1011 à 5x1011 m.kg-1 : boues faci- lement pressables ne nécessitant pas d’adjuvant de filtration 6.3.3.2 - Facteur de compressibilité • Mesurer la résistance spécifique r à la filtra- tion sous plusieurs pressions P • Tracer la courbe log r = f (log P) La valeur de s est définie par la pente de la droite = (log r1 – log r) / (log P1 – log P) ➬ Si s < 1 : le débit de filtration augmente avec P croissant => la boue est peu compres- sible et l’utilisation de fortes pressions (15-16 bars) est préconisée ➬ Si s > 1 : le débit de filtration diminue avec P croissant => la boue est compressible et une montée en pression progressive pour faciliter le drainage est préconisée. Référence Aspect rejet Densité des rejets Détails Evacuation sans traitement Liquide 1,15 – 1,25 L’évacuation se fait à la densité optimale en fonction des conditions de séparations Epaississement par floculation-décantation Pâteux 1,20 – 1,40 Nécessite l’emploi d’un coagulant et d’un floculant Epaississement par centrifugation Pâteux 1,25 – 1,45 Nécessite l’emploi d’un floculant Traitement des boues au ciment avec lagunage Solide 1,30 – 1,50 Ajout de 20 à 40 % de ciment par rapport à la matière sèche + temps d’attente de 12 à 24 heures Traitement par filtre à bande Solide 1,60 – 1,75 Ajout à la boue de floculant Traitement par filtre-presse Solide 1,70 – 2,00 Ajout à la boue de 0 à 10 % de chaux éteinte par rapport à la matière sèche
  20. 20. A FTES Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue 159TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 7777 :::: PPPPEEEERRRRMMMMEEEEAAAAMMMMEEEETTTTRRRREEEE
  21. 21. A FTES 160 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue AAAANNNNNNNNEEEEXXXXEEEE 8888 :::: DDDDOOOOCCCCUUUUMMMMEEEENNNNTTTTSSSS TTTTYYYYPPPPEEEESSSS DDDDEEEE SSSSUUUUIIIIVVVVIIII DDDDEEEE LLLLAAAA BBBBOOOOUUUUEEEE A titre d'exemple des cadres-types de suivi de la boue de forage sont donnés ci-après : ➬ Rapport de suivi journalier ➬ Rapport d’essais de contrôle
  22. 22. A FTES 161TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 171 - MAI/JUIN 2002 Recommandations relatives à la boue de forage à usage des boucliers à pression de boue
  23. 23. A FTES Notes :
  24. 24. www.aftes.asso.fr Tous droits de reproduction, adaptation, totales ou partielles sous quelques formes que ce soit, sont expressément réservés.

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