Autoroute A5 - la tranchée couverte de Chanélaz, Suisse Choix constructifs en fonction de l'environnement

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1 Autoroute A5 - la tranchée couverte de Chanélaz, Suisse Choix constructifs en fonction de l'environnement HEUBI CHRISTIAN BG Ingénieurs conseils SA, rue W.-Mayor 2, CH Neuchâtel, Suisse Christian.heubi@bg-21.com Résumé La réalisation de la tranchée couverte de Chanélaz dans des terrains de nature difficile a présenté de nombreux défis pour les concepteurs. Le 1 er défi a consisté à comprendre la géologie complexe du secteur au moyen d'études géologiques, géotechniques et hydrogéologiques complètes; le 2 ème à choisir un tracé et une méthode de réalisation adaptée et le 3 ème à élaborer un programme de surveillance des travaux de manière à pouvoir adapter ces derniers aux observations de chantiers. 1. Description de l'ouvrage La tranchée couverte de Chanélaz est située sur l'autoroute A5 entre Yverdon et Neuchâtel, à côté de la ville de Boudry. L'ouvrage, d'une longueur de 716 m, se compose de deux tubes accolés dont le profil spécifique de chacun comprend une chaussée large de 7,25 m, une bande d'arrêt d'urgence et localement une berme de dérasement. La pente longitudinale varie de 1,5 % à l'ouest à 3,5 % à l'est. L'ouvrage est constitué d'une double voûte de rayon 6,15 m avec radier contrevoûté sur lequel est intégrée une galerie technique rectangulaire. Ce profil s'adapte de manière optimale aux charges agissant sur la structure. Une épaisseur de voûte de 40 cm est indispensable pour limiter les déformations dans les zones où la hauteur du remblai est importante et dissymétrique (7 m). Le radier est contrevoûté pour résister aux pressions de gonflement susceptibles d'apparaître dans les zones molassiques (radier d'une épaisseur de 60 cm). Le point bas du radier contrevoûté se situe à environ 4 m sous la chaussée et la profondeur moyenne de la chaussée se situe à environ 11 m sous le niveau naturel du terrain. L'ensemble est composé de trois éléments distincts : La tranchée ouverte au portail ouest. La tranchée couverte proprement dite. Elle débute au portail ouest par une structure (casquette) comprenant une dalle de 8 m de long. La section circulaire s'étend ensuite sur une distance de 654 m pour le tube côté Jura, respectivement 694 m pour le tube côté Lac. Au portail est, une dalle avec une casquette concluent l'ouvrage sur une longueur de 54 m (Jura) et 14 m (Lac). Les aménagements de transition entre le portail est et le viaduc pour la voie direction Yverdon, principalement la centrale technique Chanélaz-Boudry (60 m) et pour la voie direction Bienne, essentiellement les murs de soutènement est (115 m). La centrale technique (CTCB) est située sous la chaussée côté Jura et sa largeur correspond à celle des chaussées, soit environ 13 m. La construction de la voûte a été réalisée en 73 étapes, à raison de 1 étape de 10 m par semaine (200 m 3 de béton de voûte et 185 m 3 de béton de radier par étape). Pour des raisons de logistique, le bétonnage du radier était en avance de 50 m par rapport à celui de la voûte correspondante, de manière à permettre le traitement de cure du radier, le bétonnage de la GAT et la circulation de la grue sur rails fixée au radier; cette longueur a été limitée de manière à réduire le retrait différentiel et par conséquent la fissuration entre le béton du radier et celui de la voûte. Les quantités principales suivantes ont été mises en œuvre : Volume de terrassement m 3 Volume de remblai m 3 Surface en béton projeté de la paroi de soutènement m 2 Ancrages provisoires précontraints 340 pièces, longueur totale m Ancrages passifs (clous) pièces, longueur totale m Pieux forés de fondation 88 pieux de 6 à 22 m, longueur totale m Volume de béton m 3

2 Figure 1 : Coupe type de la tranchée couverte réalisée 2. Etudes géotechniques et géologiques Trois campagnes successives de sondages ont été réalisées : La première en , a comporté 12 sondages réalisés dans le cadre du projet général de l'autoroute. La deuxième en 1989, comprenant 16 sondages, a eu pour but de définir les conditions géologiques et géotechniques des études de variantes de tracé du projet définitif (voir figure 4). Elle a mis en évidence 3 problèmes à prendre en compte dans le projet : - La présence d'un sillon creusé dans la molasse par une rivière fossile et rempli de matériaux alluvionnaires et morainiques (localement toit de la molasse à 35 m de profondeur). La figure 2 montre par superposition la colline topographique actuelle (courbe de niveau en gris) et le toit de la colline molassique enterrée (courbe de niveau en brun). - La présomption d'instabilité du versant nord-est de la colline (phénomène de creep). - La nature gonflante de certaines marnes contenant des smectites. Figure 2 : position des sondages et courbe de niveaux du toit de la molasse La troisième campagne de sondages réalisée en 1995 comprend 21 sondages dont 10 sondages équipés dans la zone en glissement (extensomètre + inclinomètre). 2

3 Les sondages réalisés de part et d'autre de la tranchée, ont eu pour but de s'assurer que la vallée fossile n'était pas susceptible d'être rencontrée lors des terrassements. En effet, comme on le verra au chapitre 6, la méthode de soutènement choisie (paroi en béton projeté clouée) ne permettait pas d'être réalisée en présence d'alluvions (pente du terrassement) et en corollaire d'eau souterraine. Les sondages équipés ont eu pour but de préciser les mouvements de terrain constatés en surface. Trois profils ont été équipés d'inclinomètre et d'extensomètre longs. Les résultats d'un des profils sont montrés sur la figure 3; il a été mis en évidence un creep lent (2 à 3 mm/an) affectant la tranche superficielle des terrains morainiques, à l'exclusion des terrains molassiques (100 % des déformations de l'extensomètre sont mesurées entre 0 et 12,5 m). Ces résultats ont amené à changer le projet dans ce secteur en remplaçant l'autoroute en remblai par une centrale technique enterrée (voir figure 5 au chapitre 5). Enfin, cette 3 ème phase a intégré des essais en laboratoire sur les marnes, de manière à préciser le potentiel de gonflement pouvant affecter le radier de la tranchée couverte. Les résultats ont amené à modifier le radier de la tranchée couverte (rayon et épaisseur). Figure 3 : profil de l'ouvrage au droit de la zone en glissement (km 30,762) et résultats des mesures Les différentes campagnes de sondages effectuées ont permis de définir les caractéristiques du soussol comme suit : La zone occidentale, jusqu'au km 30,460, est constituée d'une couverture morainique de 7 à 8 m d'épaisseur. Le toit de la roche molassique est ondulé au gré des caprices de l'érosion. Ces terrains présentent une faible perméabilité. La nappe phréatique se situe entre 1 et 3 m de profondeur. A partir du km 30,460, la molasse affleure sur le versant nord de la colline. S'il y a un pendage moyen (subhorizontal à ) vers sud/sud-est, la stratification est parfois entrecroisée et amène, en certains endroits, un pendage local plus redressé. Le faciès des dépôts morainiques varie de la moraine de fond enrichie d'éléments molassiques à une moraine graveleuse remaniée. La roche molassique du stampien aquitanien est formée d'une alternance de marnes, marno-grès, grès et calcaire lacustre. La succession de ces différents faciès peut être rapide. Les marnes sont grasses (argile de haute plasticité avec une limite d'atterberg moyenne de 50 %); la proportion de smectites (argiles gonflantes anciennement montmorillonites) a atteint 47 % sur certains échantillons. Les pressions de gonflement tirées des essais Huder Amberg ont conduit à adopter des valeurs de 0,5 MN/m 2 pour le dimensionnement du radier. En outre la roche molassique est susceptible de contenir des lentilles de gypse. 3

4 Les paramètres géotechniques suivants ont été utilisés dans les calculs : Formation géologique Poids volumique γ [kn/m 3 ] Cohésion non drainée C u [kpa] Résistance cisaillement Cohésion C' [kpa] Ang. Frot. φ [o] Module élastique E [MN/m 2 ] Moraine rhodanienne Moraine argileuse "molassique" Marne molassique (global) Joints marneux (stratification) Etudes des variantes de tracés Depuis la reprise de l'étude du tronçon au printemps 1988, une dizaine de variantes et de sousvariantes dérivées du projet général de 1975 ont été établies pour la partie située entre la tranchée couverte de Chanélaz (km 30,000 env.) et la zone de raccordement à l'autoroute existante à Areuse (km 32,000 env.); sur ce tronçon, le profil en long doit passer de la plaine d'areuse au plateau de Chanélaz en s'élevant le 60 m. Dans le cadre de ces études, des solutions en tunnels, jugées irréalistes en , ont été examinées, tant sous l'angle géométrique que sous celui de la géologie, de leur faisabilité technique, de leurs coûts et de leur influence sur l'environnement, le bruit et la pollution de l'air en particulier. Les variantes étudiées peuvent être regroupées en trois familles selon leur mode d'exécution. Figure 4 : plan de situation des variantes Les variantes 4 et 6, ainsi que celle retenue pour le projet définitif peuvent être considérées comme représentatives de chacune des méthodes d'exécution. 4

5 tunnel bas sous Chanélaz et sous l'areuse ( variante 4); tunnel haut sous Chanélaz et viaduc sur l'areuse ( variante 6); tranchée couverte et viaduc de Chanélaz ( projet définitif retenu). tracé 4 : tunnel bas. Cette variante de tracé prévoyait la réalisation d'un tunnel de m de long. Les terrains y sont morainiques et saturés d'eau dans la colline de Chanélaz, et dans la région des Iles le tunnel se serait situé sous le niveau de la nappe phréatique. Cette variante n'a pas été retenue pour les raisons suivantes : géométrie peu satisfaisante (rayons verticaux réduits, déclivités en tunnel importantes); exécution techniquement très difficile et très coûteuse (tunnel traversant une zone de terrains meubles et saturés d'eau à Chanélaz, passage délicats sous l'areuse et sous les immeubles existants); risques pour l'avenir, entretien et réparations difficiles. coûts d'exploitation élevés (ventilation, éclairage). tracé 6 : tunnel haut et viaduc sur l'areuse. Dans cette variante, le tracé de l'autoroute était intermédiaire entre celui de la variante 4 (tracé bas) et celui de la variante retenue (tracé haut). Ce tracé traversait la colline de Chanélaz dans une zone morainique saturée d'eau, sortait à mi-hauteur et passait par-dessus l'areuse et la RC5 au moyen d'un pont. Cette variante n'a pas non plus été retenue pour des raisons similaires à celles qui ont fait rejeter la variante 4, à savoir : une géométrie peu satisfaisante; une exécution en tunnel très difficile et coûteuse. tracé retenu pour le projet définitif. Ses principales caractéristiques sont les suivantes : tranchée couverte suivie d'un viaduc descendant le long de la colline de Chanélaz et passant par-dessus l'areuse et la voie du tram; passage en tranchée couverte devant le Vieil-Areuse. Le tracé retenu se différencie des variantes 4 et 6 par les éléments suivants : géométrie plus coulante permettant une vitesse de projet à 100 km/h; exécution des ouvrages de manière traditionnelle; moins de démolitions d'immeubles dans le quartier des Iles; liaisons favorables avec le réseau local. 4. Variantes des méthodes de réalisation de l'ouvrage Une étude de variante d'exécution sur le tracé choisi a été réalisée en Quatre méthodes d'exécution ont été analysées : méthode 1 : solution de base en tranchée couverte construite entièrement à l'air libre; méthode 2 : elle se distingue de la méthode 1 par le fait qu'une partie de l'ouvrage est réalisée en tunnel (dès un recouvrement de 5 m de terre sur la calotte) et l'autre partie en taupe (Tagbautunnel). Les deux tubes sont accolés. Pour des raisons constructives, cette méthode est basée sur un gabarit restreint (rayon intérieur de 5,10 m). La réalisation est prévue au moyen de 3 galeries de pied (2 latérales, 1 centrale). méthode 3 : elle se distingue de la méthode 2 par le fait que les tubes sont distants de 7 m. La réalisation de la section est prévue en 3 étapes : excavation de la calotte à l'abri d'une voûte parapluie, reprise des piédroits et creuse du radier contrevoûté. méthode 4 : elle se distingue de la méthode 1 par le fait qu'une partie de l'ouvrage est réalisée en taupe (voûte posée sur des pieux forés, profil semblable à celui du Flurlingertunnel sur la A4 ou voûte posée sur une paroi moulée), le solde étant réalisé de manière traditionnelle. Les deux profils types de la méthode 4 permettent de répondre au choix du Maître de l'ouvrage, c'est-à-dire de minimiser les risques liés aux grandes excavations et les mouvements de terre. Toutefois, le profil type avec l'excavation partiellement à ciel ouvert est plus compliqué à réaliser du point de vue de la précision d'exécution, de l'étanchéité et des phases de bétonnage. A long terme, ces complications pourraient avoir une influence négative sur le comportement de l'ouvrage (défaut d'étanchéité). La méthode 1 a été retenue par le Maître de l'ouvrage qui a demandé une justification du profil en voûte par rapport à un profil cadre rectangulaire. Cette étude conclut en faveur de la solution en voûte, pour des raisons de coût légèrement inférieur, de déformations réduites, d'absence de précontrainte, de section mieux adaptée aux efforts (couverture importante et gonflement) et de géométrie favorable à l'intégration des équipements (ventilation et signalisation). 5

6 5. Centrale technique à l'extrémité est de la tranchée Ainsi que signalé au chapitre 2, les terrains superficiels en mouvement ont amené à remplacer le projet d'autoroute prévu en remblai par des ouvrages confortatifs résistants au glissement. La centrale technique a été déplacée et intégrée à ce secteur selon le schéma de la figure 5. L'ouvrage est dimensionné comme un bloc monolithique, fondé sur des pieux créant un système de cadres qui s'oppose à la poussée d'une tranche superficielle de terrain instable. Les pieux sont ancrés dans l'horizon de molasse stable. La centrale est liée au radier contrevoûté de la tranchée à l'ouest et à la culée du viaduc à l'est. L'enveloppe extérieure, ainsi que tous les éléments porteurs sont en béton armé. Le blocage du terrain a permis de fonder sur semelle le mur amont; des mesures conservatrices ont été prises lors du bétonnage du mur sous la forme de contreforts et de niches pour d'éventuels ancrages. Les mesures de suivi de déformations du terrain lors du chantier ont montré qu'il était stable et par conséquent les ancrages prévus n'ont pas été réalisés. Figure 5 : profil type de la centrale technique au km 30, Suivi du chantier : deux expériences intéressantes 6.1 Conception du soutènement et résultats des mesures Ce chapitre est spécialement décrit dans l'article (1) cité en référence. Néanmoins les quelques informations suivantes sont fournies : Le terrassement est réalisé sous la forme de talus à 1/5 (H/V) afin de minimiser l'emprise provisoire de la fouille (voir figure 1). D'une manière générale les soutènements, jusqu'à 15 m de hauteur, sont constitués de parois clouées composées de béton projeté armé et de clous passifs de 6 à 14 m de longueur (environ 1 clou/4 m 2 ). Des drains subhorizontaux augmentent la fiabilité du système lors des terrassements (environ 1 drain/30 m 2 ). Les bermes de 1 m de largeur sont espacées de 6 m de manière à éviter les problèmes d'instabilité de parois lors des terrassements. Des ancrages précontraints (240 pièces) ont été placés dans les zones où il s'agissait soit de minimiser les déformations (immeubles adjacents, passerelle supérieure), soit d'augmenter la sécurité selon les calculs effectués avec le logiciel Talren, soit pour les hauts talus (15 à 23 m). Lors du chantier, en fonction des mouvements de paroi mesurés, il a été mis en place 100 ancrages supplémentaires (prévus dans le marché) pour limiter les déformations. Ce système de soutènement s'est révélé très économique (environ 170 /m 2 pour les parois, les ancrages passifs et actifs). Le suivi du chantier est basé sur la méthode observationnelle de l'eurocode 7. Un programme complet de surveillance comprenant 20 inclinomètres, 12 extensomètres, 34 cellules sur ancrages précontraints, 16 points de nivellement des ouvrages environnants et le contrôle de la piézométrie, de la qualité des eaux et du débit des sources a été mis en œuvre. Les informations principales concernant le comportement sont les suivantes : les déformations horizontales des parois ancrées ont atteint au maximum 4.3 de la hauteur de la fouille, en général 2. les déformations horizontales des parois clouées sont comprises entre 2 et 8.5, soit nettement au dessus des valeurs données dans les recommandations Clouterre 1991 (1 à 4 ).Une 6

7 zone prévue en paroi clouée a eu une déformation de 18 avant d'être renforcée par des ancrages précontraints. La densité de clouage est dans la fourchette des ouvrages à barres scellées (0,5 à 1,5). Dans un secteur le poinçonnement localisé du parement en béton projeté a montré que les clous étaient suffisamment longs. Les efforts mesurés dans certains clous au moyen de jauge de contrainte n'ont pas indiqué des valeurs supérieures à 100 kn compatibles avec les barres mises en place (Ø 22 et Ø 26). Ainsi les fortes déformations sont expliquées par la libération des contraintes de la roche molassique. Ce phénomène a été localement constaté de visu sur la paroi lac, de pendage favorable où des déplacements pluricentimétriques se sont produits entre 2 bancs sur des joints marneux. Figure 6 : vue de la tranchée en cours de terrassement (photo BG2001) 6.2 Perforation du sillon aquifère et injection du massif Le tracé retenu a permis de s'affranchir du sillon décrit au chapitre 2, sauf localement où les clous ont perforés les terrains morainiques pour atteindre le sillon aquifère,avec une incidence immédiate sur les niveaux piézométriques et le débit de la source (captage à 200 m de distance) qui ont baissé. Le graphique de la figure 7 met en évidence ces phénomènes. De manière à reconstituer un massif encaissant étanche (la tranchée ne doit pas drainer le terrain à long terme), il a été procédé à une injection de 200 m 3 de terrain en 2 phases au moyen d'un réseau de 25 forages verticaux équipés de tube à manchettes tous les 30 cm. La première injection a été réalisée avec un coulis ciment/bentonite, la seconde avec un micro ciment/bentonite, de manière à traiter les vides estimés à 25 %. Ces injections ont donné de bons résultats; le coût du traitement est revenu à environ 430 /m 3. Le recours à des injections avec de la résine ou des mousses polyuréthanne avait été prohibé (zone de captage de source). 7

8 30 trop-plein Chanélaz (débit) 250 débit total source Chanélaz Débit trop-plein [l/min] v.e. CTCB dans paroi tranchée fin août 2000 pluviométrie 22 fév Débit total [l/min] et pluviométrie [mm] 10 5 colmatage v.e. CTCB mi février figure 7 : graphique liant les débits, la pluviomètrie et la période de perforation de l'aquifère(établi par le chyn) L'auteur remercie le Maître de l'ouvrage (OCRN5) pour sa compréhension des problèmes géologiques et pour sa volonté de mettre en œuvre les études géotechniques et les dispositifs de mesure nécessaires permettant une bonne conception des ouvrages. Références Remarque : les rapports se référant aux numéros 3 et 4 ne sont pas publiés. Heubi Christian, L'Eplattenier Jacques, La tranchée couverte de Chanélaz, des calculs aux résultats des mesures, bulletin technique de la Suisse romande TRACES 08 du 20 avril 2005 (1). Bmg, Gros plan sur un système de coffrage pour les tunnels à ciel ouvert, batimag 41,octobre 2003 (2). Chyn, centre d'hydrogéologie de l'université de Neuchâtel, rapport de synthèse hydrogéologique, 2004, réf: CH du 15 novembre 2004 (3). Meia Jean, Chyn, De Cérenville géotechnique, rapport de synthèse géologique, hydrogéologique et géotechnique, réf: DC du 23 décembre 1996 (4) 8