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Le Grand Paris Express sous haute surveillance
Un théodolite (au premier plan) surveille les alentours de l’avenue Gambetta, à Courbevoie (Hauts-de-Seine). - © PHOTOS : DANIEL ROUSSELOT / LE MONITEUR

Le Grand Paris Express sous haute surveillance

E. P. |  le 05/10/2018  |  Grand Paris ExpressTravaux souterrainsTunnelierTechnique

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Travaux souterrains -

En surface comme en sous-sol, des systèmes d'auscultation sont déployés pour limiter les risques lors des opérations sensibles.

Au plus fort des travaux du Grand Paris Express (GPE), plus de 20 tunneliers creuseront en simultané dans le sous-sol parisien. Une telle activité - du jamais vu en France - ne laisse pas de place à l'improvisation. Même si plus de 6 000 sondages ont déjà été réalisés lors des travaux préparatoires, les équipes de terrain ne sont pas à l'abri d'un aléa. « C'est la première fois que nous avons un projet d'une telle ampleur, avec 85 % de souterrain sur 200 km de linéaire à construire. Or, le milieu urbain est dense, ce qui nous oblige à maîtriser certains risques », commente Thierry Huygues-Beaufond, responsable de l'unité « infrastructures et méthodes constructives » à la Société du Grand Paris.

Même si plus de 6 000 sondages ont déjà été réalisés en amont, les équipes de terrain ne sont pas à l'abri d'un aléa.

Pas de risque zéro. En effet, lors de la réalisation de travaux souterrains, il est toujours possible de tomber sur un obstacle qui n'aura pas été anticipé. « Le bassin parisien est bien connu de la profession, mais il faut savoir rester humble. Nous allons creuser à une grande profondeur. Il est donc encore possible d'avoir des surprises dans des endroits non étudiés lors des reconnaissances », reconnaît Thierry Huygues-Beaufond. De plus, l'emploi d'un tunnelier en profondeur peut, même si cela reste exceptionnel, générer des phénomènes de remontée de fontis ou de tassement de surface, voire se traduire par une arrivée d'eau. En dehors du passage du tunnelier, un procédé comme le « jet-grounting », qui consiste à injecter un coulis de ciment à haute pression dans le sol, peut engendrer une déformation du terrain. Or, cette technique sera largement déployée sur les chantiers du Grand Paris Express. Il en va de même pour la réalisation de parois moulées, indispensables à la construction des gares, dont la déformation peut avoir un impact sur les avoisinants.

« Aujourd'hui, les ouvrages sensibles sont surveillés en continu et en temps réel lors des travaux. » Vincent Lamour , P-DG de Cementys

D’où l’intérêt d’ausculter le sous-sol en permanence. La méthode, qui consiste le plus souvent à surveiller le déroulement des travaux à l’aide d’une instrumentation, a gagné en puissance ces dernières années. Une tendance qui s’explique par l’informatisation croissante du matériel.

« Avant, nous réalisions une surveillance manuelle, et les capteurs étaient réservés aux ouvrages sensibles. Aujourd’hui, ces ouvrages sont surveillés en continu et en temps réel lors des travaux », analyse Vincent Lamour, P-DG de Cementys, une entreprise spécialisée dans le déploiement de ces technologies. Si des instruments comme les capteurs ou la fibre optique sont déjà utilisés sur des chantiers ailleurs en France, le contexte du Grand Paris Express est particulier. En effet, sur ce méga chantier, les innovations se multiplient.

Par exemple, le maître d'ouvrage a eu recours, pour la première fois, à une technique de surveillance qui repose sur l'interprétation d'images satellite pour observer l'avancée du tracé du tunnelier. Appelée « interférométrie » (lire encadré p. 72) , elle consiste à mesurer les mouvements des sols à partir de ces images.

Réagir vite en cas d'imprévu. D'autres techniques de pointe vont également être utilisées à titre expérimental. C'est le cas du télescope à muons (lire encadré p. 70) , un outil d'exploration qui a récemment permis au CNRS de découvrir une nouvelle chambre funéraire dans la pyramide de Khéops, en Egypte. Pas de trésor caché en vue dans le sous-sol parisien, mais il peut être utile de détecter une cavité qui serait restée hors des écrans radar.

Tout le défi consistera ensuite à réagir vite en cas d'imprévu. Et les spécialistes restent prudents. Certes, ces nouvelles techniques d'auscultation commencent à impacter le pilotage des travaux, alors qu'auparavant elles servaient uniquement de garde-fou juridique. Mais elles ne sont qu'une aide supplémentaire, pas une solution miracle. « Si la surveillance de surface est une aide importante pour la détection des tassements, c'est avant tout la maîtrise de l'outil d'excavation et le savoir-faire de l'opérateur qui permettent de limiter les aléas liés à l'utilisation des tunneliers », rappelle Bruno Combe, responsable du pôle « tunnel » chez Bouygues TP.

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Vue d’une cible sur un bâtiment de l’avenue Gambetta. Ce système de prisme réflecteur, sur lequel se cale le théodolite pour viser, permet de s’assurer que le bâtiment n’a pas bougé. - © PHOTOS : DANIEL ROUSSELOT / LE MONITEUR
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- © SOCIÉTÉ DU GRAND PARIS

Théodolite - Des guetteurs sur les toits

Entre Saint-Lazare et La Défense, ce sont 6 km de tunnel et près de 500 bâtiments qui sont auscultés. « Chaque bâtiment est équipé de cibles topographiques. Avant et après le passage du tunnelier, nous effectuons des mesures mensuelles à partir de théodolites [instruments de triangulation, NDLR]. Quand le tunnelier travaillera, elles seront réalisées quotidiennement, et les résultats seront exploités dans les heures qui suivent », détaille Laurent Dabet, directeur technique du lot 3 chez Bouygues Travaux publics.

Des seuils de tolérance, de 10 à 30 mm, ont été établis à l'aide de modèles. Si l'une des valeurs obtenues dépasse un seuil, les opérationnels sont directement alertés par SMS ou e-mail. « Nous regardons si le dépassement est ponctuel, ou s'il révèle une tendance plus globale. Il est aussi important de pouvoir associer cette valeur à un événement pour réagir à bon escient. Quand un tunnelier est en activité, le lien est évident, mais parfois l'origine est autre [un forage, par exemple, NDLR] », explique l'ingénieur.

Les seuils définis sont particulièrement bas, notamment au niveau du chantier de la gare de la porte Maillot en raison de son emplacement, entre la ligne 1 du métro et le RER C. « Ces précautions sont forcément liées au milieu contraint dans lequel nous évoluons. En zone rurale, la surveillance n'aurait pas été si importante », remarque Laurent Dabet.

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Vue du puits Gambetta, qui assure l’accès aux hommes et au matériel pour le creusement du tunnel sous La Défense. - © ANNE-CLAUDE BARBIER POUR SETEC TPI
Accéléromètre

Créée par deux ingénieurs issus du CEA Leti, la start-up Morphosense a mis au point un procédé de surveillance des ouvrages de génie civil. Ce système repose sur une technologie de capteurs de très haute précision, les accéléromètres MEMS, associés à des algorithmes brevetés. Ces capteurs permettent notamment de mesurer la déformation géométrique de l'ouvrage en 3D et ses vibrations sur trois axes, ce qui permet de surveiller son comportement statique et dynamique. Dans le cas du GPE, il devient ainsi possible d'évaluer simultanément les vibrations générées par le tunnelier et les tassements.

Pose en deux heures. « A la différence des théodolites, qui mettent plusieurs minutes pour fournir des données, la surveillance est réalisée en continu et en temps réel. De plus, l'installation est facile et rapide. En deux heures, le réseau est posé sur le chantier et les données sont disponibles immédiatement », ajoute Mikael Carmona, directeur technique et cofondateur de Morphosense. La jeune pousse a récemment travaillé dans le cadre du GPE avec Bouygues TP, sur un projet dont le nom doit rester confidentiel.

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Capteur mis au point par Morphosense. - © PHOTOS : MORPHOSENSE
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Puits d’accès d’une gare en chantier, où les capteurs sont maintenus par des aimants doublés de serre-câbles épais, puis enrubannés par de l’adhésif. - © PHOTOS : MORPHOSENSE
Télescope à muons

Posé fin juillet à l'intérieur du tunnelier du lot T2C sur la future ligne 15 sud du GPE, le télescope à muons de mesure de densité des sols a livré ses premières images début septembre. Cette technologie mise au point par les chercheurs de l'Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL-CNRS) a déjà plusieurs succès à son actif notamment dans la pyramide de Khéops, en Egypte. Dans le cas du lot T2C, elle permettra de repérer les obstacles sur le trajet du tunnelier (zone karstique, faille aquifère, etc. ), de détecter une galerie ou de vérifier que la machine n'a pas produit de vide.

Jusqu'à 300 m de profondeur. Assimilable à la radiographie - mais appliquée à des épaisseurs de plusieurs dizaines de mètres -, cette technique exploite les caractéristiques du sous-sol soumis au flux de particules cosmiques dites « muons ». Peu nombreux (110 par m² par seconde au niveau du sol), deux fois plus petits qu'un proton, d'une durée de vie courte (8 ?s), capables de pénétrer le sol jusqu'à 300 m, ils présentent la particularité d'être freinés par les roches denses. Inversement, leur nombre élevé traduit un déficit de masse, un vide. A l'avenir, ces capteurs pourraient être intégrés à l'enveloppe métallique des tunneliers.

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Télescope à muons placé à l’intérieur du tunnelier de la ligne 15 sud. - © IPNL
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Trois exemples d’aléas détectables lors du passage de l’engin. - © PIERRE DE SLOOVERE / PDS CONSULT
Interférométrie - Une veille au millimètre depuis l'espace

Après avoir été testée sur le chantier du réseau ferroviaire Crossrail à Londres, l'interférométrie radar est déployée sur le chantier de la ligne 15 sud du GPE. Cette technique de surveillance consiste à mesurer les mouvements des sols et du bâti à partir de données satellite. « Ce que nous exploitons, ce n'est pas l'image, mais l'onde radar émise par le satellite, qui est réfléchie au sol. Si la distance parcourue entre l'émission de cette onde et son retour au satellite varie entre deux prises de mesures, cela indique qu'il y a une déformation du sol », note Anne Urdiroz, responsable commerciale au sein de la société Tre Altamira en charge de la surveillance.

Aucun instrument sur place. Les points de mesure sont pris tous les onze jours, ce qui correspond à une position identique du satellite face à la cible observée. Ils sont ensuite comparés aux résultats précédents afin de déceler la moindre altération du terrain, la précision étant de l'ordre du millimètre. Il est ainsi possible de se rendre compte d'un éventuel tassement à la suite du passage d'un tunnelier. Le linéaire couvert par cette technique de mesure est par ailleurs très important (500 m), et l'interférométrie n'utilise aucun instrument sur place, ce qui rend cette technique complémentaire des autres outils plus classiques d'auscultation.

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Reconstitution stylisée du satellite TerraSAR-X en orbite. - © DLR
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Carte des mouvements de surface issue de l’analyse des données de la mission TerraSAR-X entre juillet 2011 et mars 2015. Le vert indique qu’aucun mouvement de terrain n’a été détecté. - © TRE ALTAMIRA
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Le premier tunnelier du Grand Paris Express en cours d’assemblage dans le puits d’entrée de Champigny-Plateau, sur la ligne 15 sud. - © SOCIETE DU GRAND PARIS / CÉDRIC EMERAN
Sismique sans source - Le sous-sol mis sous écoute

Expérimentée sur les chantiers des lignes de métro 14 nord et 13, la technique de la « sismique sans source » réalise une imagerie du sous-sol, suivant le même procédé qu'une échographie médicale. Des capteurs (ou géophones) enregistrent les fréquences de 5 à 200 Hz qui sont ensuite analysées pour un rendu graphique. « Autonomes, ces appareils sont capables d'enregistrer un grand volume de données », explique Simon Robert, responsable du développement chez Sixense Geophysics, qui commercialise cette solution.

Dix jours de délai. « Un appareil écoute une zone de 50 m de côté et de 10 à 20 m de profondeur. Une semaine de mesure par une centaine de capteurs génère 200 Go de data. A l'aide d'algorithmes, il nous faut environ dix jours pour fournir une figure en 3D, lisible par une application dédiée », poursuit-il. Sixense Geophysics travaille par ailleurs à associer cet outil aux techniques classiques de numérisation de superstructures, afin de fournir une image informatique complète des ouvrages.

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Modélisation 3D du sous-sol du boulevard Jean-Jaurès, à Saint-Ouen (Seine-Saint-Denis). En noir, le tunnel ; en rouge et vert, les couches géologiques. Les points noirs en surface correspondent aux capteurs. - © SIX ENSEGEOPHYSICS
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Vue d’un boîtier numériseur implanté dans un terre-plein central fleuri, sur le même boulevard. - © PHOTOS : SERCEL
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Vue d’un boîtier numériseur implanté dans un terre-plein central fleuri, sur le même boulevard. - © PHOTOS : SERCEL
« Trois data scientists analysent les données récoltées sur nos chantiers »

En quoi consistent les travaux que vous menez au sein du Tunnel Lab ?

Notre laboratoire a pour mission de développer et déployer des innovations sur nos chantiers de tunnels et d'ouvrages souterrains.

Notre équipe pluridisciplinaire accueille notamment depuis mars 2017 trois « data scientists », qui travaillent sur la collecte et l'analyse des données issues de nos chantiers. Ces informations proviennent des tunneliers ou de l'étude des sols.

En quoi le traitement de ces données est-il stratégique ?

Nous produisons et collectons depuis plusieurs années une masse importante de données sur nos chantiers, mais leur exploitation reste à ce jour limitée. Prenons l'exemple des forages géologiques. Selon les terrains, ceux-ci sont généralement réalisés tous les 50 m, ou, lorsque c'est possible, tous les 20 m dans les zones à risque, ce qui laisse une grande part d'inconnu entre deux forages. Grâce à un travail de modélisation statistique, nos équipes parviennent désormais à combler ces zones grises. Depuis trois ans, nous avons aussi développé un simulateur pour les pilotes de tunnelier. Il peut reproduire une vingtaine de scénarios plausibles dans des cas réels, avec des obstacles pour forcer le pilote à s'adapter à la situation. Creuser un tunnel est toujours un défi, et l'analyse des données des chantiers renforce notre connaissance du terrain.

Faut-il s'attendre à voir apparaître de nouveaux modèles sur le Grand Paris Express ?

C'est en effet prévu. Ce cadre se prête bien à une telle démarche par son ampleur, puisque la réalisation du réseau va nécessiter le recours à plus de 20 tunneliers.

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Nicolas Braud, responsable du Tunnel Lab chez Bouygues TP - © AUGUSTIN DETIENNE

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