UNNEL DE CAP ROUX. Utilisation de levés scanner 3D en contrôle extérieur des travaux 1 - LES SCANNERS 3D

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1 T UNNEL DE CAP ROUX Utilisation de levés scanner 3D en contrôle extérieur des travaux Gilles CHATENOUD CETU David FAVERGE PERAZIO Geometre TUNNEL DE CAP ROUX - UTILISATION DE LEVÉS SCANNER 3D EN CONTRÔLE EXTÉRIEUR DES TRAVAUX L'usage de levés par scanner 3D des ouvrages souterrains se développe, grâce à la mise au point de techniques de relevé et de logiciels de traitement permettant d obtenir rapidement des informations complètes et précises de l ouvrage. L'article propose des perspectives pour l'utilisation des scanners 3D en tunnels, en phase de projet ou de chantier, pour le suivi, le contrôle et le récolement des travaux. En exemple il est rendu compte du suivi topographique par scanner 3D des travaux du tunnel de Cap Roux, qui a permis de valider certaines applications des levés 3D, notamment en contrôle et en récolement de travaux. Une application particulière a consisté à établir une cartographie photographique, basée sur l'acquisition des textures réelles du parement du béton projeté qui forme le revêtement de l'ouvrage. Cette cartographie exploitable en DAO permettra de reporter précisément les désordres qui apparaîtront durant la vie de l'ouvrage. CAP ROUX TUNNEL - USE OF 3D SCANNER SURVEYS FOR WORKS CONTROL Use of 3D scanner surveys of underground infrastructure is on the increase, thanks to the development of in-field survey routines and office software that allow fast, complete and precise acquisition and processing of data. This article outlines some perspectives on the use of 3D scanners in tunnel environments, whether at project or construction stage, for the purposes of inspection, monitoring and checking. As an example, we describe a 3D scanner topographic survey of works at the Cap Roux tunnel, which confirmed the validity of certain 3D survey applications, especially monitoring and checking. One particular application consisted of establishing a photorealistic mapping of post-shotcrete wall lining. Such a data-set can be used in a CAD environment for precise reporting of disorders appearing during the lifetime of the infrastructure. 1 - LES SCANNERS 3D Les premiers scanners laser 3D développés en France dans les années 1990 (gamme SOISIC, constructeur MENSI, filiale d EDF) ont été utilisés afin d effectuer des relevés géométriques en milieu industriel (locaux nucléaires, locaux de sites pétrochimiques ), ou des relevés d objets culturels (statues ). Basés sur la technique de la triangulation plane, ces scanners sont toujours performants pour des relevés de précision (précision de mesure de +/-0.3 mm à 2 m). Depuis le début des années 2000, la nouvelle génération de scanners basée sur des mesures «Temps de vol» présente des caractéristiques plus adaptées aux relevés de grandes dimensions en terme de champ angulaire, de portée (plusieurs centaines de mètres), de vitesse (plus de 1000 points/seconde) tout en conservant une précision de mesure permettant de nombreuses applications. Pour garantir la précision finale des relevés par scanner, rappelons que ces levés doivent obligatoirement être associés à des mesures topographiques de précision, réalisées par des géomètres expérimentés, pour créer un référentiel et rattacher les nuages de points 3D. Tunnel de Saint Pancrasse Scanner SOISIC Scanner Trimble GX Dans les travaux souterrains, la technique a notamment été utilisée en 1998 pour un projet d'ascenseur (- 150m) sur le site de l Aven d Orgnac, puis en 2002 pour des relevés dans la grotte Chauvet. En 2003 le tunnel de Saint Pancrasse (38) d'une longueur de 500m a été «scanné» ainsi que l'ancienne route en encorbellement qui lui est contiguë et dont le tracé, très proche du tunnel, détermine localement des épaisseurs très faibles du piédroit rocheux, côté route. Les levés ont permis d'établir des profils en travers recoupant les deux ouvrages et de connaître ainsi les épaisseurs des piédroits existants pour aménager le tunnel. Le levé scanner de la falaise, saisi depuis l'ancienne route, a aussi permis de déterminer les pendages des bancs et des fractures rocheuses intéressant le projet. TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N SEPTEMBRE/OCTOBRE

2 Perspectives pour les tunnels Les levés scanner 3D ont leur utilité dans les projets de rénovation de tunnels existants pour connaître en totalité la géométrie d un ouvrage à partir d un nuage de points x,y,z relevés tous les 3 à 5 cm sur l intrados du tunnel et aux abords des têtes. A partir de ce nuage de points, il est possible d obtenir des profils en travers de type profils lasers en tous points de l ouvrage. Mieux, des logiciels actuellement en cours de développement vont permettre au projeteur d intégrer le projet de rénovation dans le nuage relevé, pour obtenir rapidement une vue en 3D du projet et directement toutes les quantités réelles de déblai d'alésage, de béton projeté, de béton de revêtement. Les métrés ne seraient plus établis avec des volumes estimés par moyenne de surfaces entre deux profils en travers. La géologie du tunnel existant peut être portée dans la base 3D pour renseigner le projet. De la même façon pour un projet de tunnel neuf, des levés scanner peuvent être pris sur les zones de têtes envisagées et le projet intégré en 3D à partir des nuages de points topographiques levés aux têtes. Outre la quantification rapide des volumes réels liés au projet, la méthode permettrait de présenter les terrassements et l architecture des têtes dans l environnement du site de manière rigoureuse. En cours de chantier il est possible d effectuer des levés scanner pour réaliser certains contrôles. Les scanners lasers sont des matériels sophistiqués et coûteux dont l utilisation est réservée à des spécialistes, ce qui impose certaines limites à leur usage en phase de travaux. Les scanners 3D sont également vulnérables aux fortes densités de poussières, leur utilisation nécessite l interruption momentanée des autres travaux dans la zone relevée. Les déplacements des opérateurs qualifiés sont à optimiser pour limiter le coût d intervention et les perturbations faites au chantier. Actuellement il n est donc pas envisageable d assurer par scanner 3D le relevé rapproché de certains travaux, comme on le fait avec un profilomètre laser généralement utilisé par le topographe de l entreprise. Le suivi topographique rapproché des phases de creusement et de soutènement d excavation reste à réaliser traditionnellement. En travaux neufs le premier levé scanner s effectuerait sur l intrados du soutènement. Il est à réaliser juste avant la pose de la membrane d étanchéité. La prise de données s'opère à l avancement des travaux par tronçons de 200 m environ, pendant un arrêt programmé du chantier, les engins mobiles étant déplacés hors de la zone à relever. Ce premier levé permet de vérifier que l intrados du soutènement ne présente pas de saillies à l intérieur du gabarit prévu pour loger le revêtement. Le levé sert aussi à valider les profils laser que l entreprise effectue après la mise en place du soutènement et à contrôler la géométrie de l intrados entre les profils fournis. En fin de travaux un second levé scanner serait effectué sur le parement du revêtement de l ouvrage. L intégration du nuage de points du levé du revêtement au nuage du levé du soutènement permettant de connaître, en tous points de l ouvrage, l épaisseur du revêtement. L intérêt des précisions nouvelles acquises avec les scanners 3D concernent aussi bien le suivi des travaux que l enrichissement du dossier de récolement de l ouvrage. Pour cela le levé du revêtement doit être effectué après la mise en place des différents équipements de l'ouvrage (éclairage, accélérateurs de ventilation, signalisation, etc.) Les volumes de béton de revêtement sont établis par comparaison entre le levé du soutènement et celui du revêtement. Le récolement des travaux gagne en précision grâce à la densité des points relevés aux différentes étapes de la construction de l ouvrage. De plus, il ne peut pas subsister d incertitudes (dues par exemple à des imprécisions de report du pm 0 du chantier par rapport à la définition de celui de l ouvrage achevé) sur la position de la géologie reconnue et des différents soutènements à l arrière du revêtement. Enfin, le levé scanner du revêtement pourrait être complété par une cartographie développée du revêtement basée sur l acquisition de textures réelles du béton et des équipements du tunnel, par photographies couleurs de haute résolution. La cartographie serait exploitable sous DAO pour servir de support aux levés des désordres lors des futures inspections de l ouvrage. 2 - ESSAI DE VALIDATION DE LA METHODE AU TUNNEL DE CAP ROUX La Direction des Routes a programmé en 2002 la rénovation des tunnels non revêtus situés sur les Routes Nationales du Département des Alpes Maritimes. Les ouvrages concernés sont les tunnels des Pyramides, de St Michel et d'eze sur la RN 7 (moyenne corniche) ; de Chaudan Sud et de Chaudan Nord sur le RN 202 (vallée du Var) ; de Cap Roux sur la RN 98 (basse corniche). La maîtrise d œuvre des études et des travaux a été assurée par la DDE 06 avec l'assistance du Centre d'études des tunnels (Cetu). Globalement les travaux de rénovation ont consisté à mettre les tunnels au gabarit de 4,30 m par alésage local, à purger les excavations et à les conforter par boulonnage et béton projeté, à refaire les chaussées et l'éclairage de certains ouvrages. Les travaux de rénovation du tunnel de Cap Roux ont été réalisés à l automne Ils comprenaient un alésage du rocher de l excavation et la mise en place d un soutènement par boulons d ancrage à scellement continu associés à une épaisseur nominale de 10 cm de béton fibré. Tunnel de Cap Roux Le chantier de Cap Roux a servi de support au Centre d études des tunnels pour tester l'utilisation de levés au Scanner 3D en contrôle extérieur et en récolement de travaux. Les travaux de topographie ont été attribués au cabinet Guy PERAZIO, Géomètre Expert, suite à un appel d offres lancé par le Cetu en Mars Principes du suivi topographique des travaux a- Etablissement du référentiel Un référentiel topographique a été créé et matérialisé sur le site par des repères en bronze scellés dans les ouvrages existants (stations et repères de nivellement). La précision requise pour la détermination des repères est de +/-1mm en XYZ. Ce référentiel couvre la zone de travaux et est étendu sur environ 100 m de part et d autre de l'ouvrage afin d assurer la pérennité des repères notamment pendant le chantier. Tous les levés scanner 3D ont été rattachés à ce seul référentiel afin de pouvoir établir des comparaisons sûres. b- Levé du tunnel existant Un relevé initial a été réalisé par scanner laser 3D, avant les travaux au printemps 2005, sur 50 m. (22 m en tunnel et 14 m de part et d autre). La densité requise pour le levé était 276 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N SEPTEMBRE/OCTOBRE 2006

3 275a280CAP 1/09/06 15:01 Page 277 T unnel de Cap Roux - Utilisation de levés scanner 3D en contrôle extérieur des travaux d un point tous les 3 cm sur la surface du rocher du tunnel et des encorbellements de têtes. A partir du levé initial une vue en plan de la plate-forme routière et une tabulation de 50 profils en travers ont été établies sur 50 m. Chaque profil comportait les coordonnées XYZ de son origine, son gisement et une cotation de la plate-forme. c- Levé du tunnel après l alésage En cours de chantier un second levé scanner 3D a été réalisé après une première purge des éléments instables et l alésage de mise au gabarit du rocher. Le second levé est établi dans le même référentiel et avec les mêmes caractéristiques de densité et de précision que le levé initial. Rapproché de celui-ci, le second levé a permis de quantifier les volumes excavés et de vérifier qu'après les travaux d alésage, le gabarit est bien respecté sur toute la longueur de l ouvrage. Il faut noter qu'avec une vérification traditionnelle par profils laser, il subsiste des zones non reconnues entre les profils qui déterminent des imprécisions sur les contrôles de gabarit et sur les différents volumes calculés. Le traitement des données a été réalisé sur le logiciel Realworks Survey (TRIMBLE). Avec les levés scanner les calculs de volumes sont réalisés de manière globale, par comparaison directe de deux nuages de points. Le calcul est basé sur la création de cellules parallélépipédiques de section cohérente avec la densité du nuage (4cm*4cm pour ce chantier). Orientées selon une direction de projection perpendiculaire aux surfaces à analyser, ces cellules viennent s insérer entre les deux nuages à comparer. Le volume global est calculé à partir de la somme du volume élémentaire de chaque cellule. La hauteur de chaque cellule correspond à la distance moyenne séparant les 2 nuages au droit de la cellule analysée. Cette distance correspond à l épaisseur réelle de rocher alésé (dans le cas de la comparaison d un nuage relevé après alésage, à un nuage relevé sur le rocher initial). Après le second levé, l entreprise a mis en œuvre le soutènement et le revêtement en béton projeté de l excavation. Gabarit et zones à aléser (en bleu à l'intérieur du gabarit gris) Profil initial et gabarits Gabarit et zones à aléser Contrôle après premier alésage (il reste quelques zones à reprendre) TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N SEPTEMBRE/OCTOBRE

4 d- Levé du tunnel après béton projeté Un troisième levé scanner a ensuite été exécuté, la nuit suivant la fin des travaux de béton projeté, pour contrôler la conformité des épaisseurs par rapport au marché. Les insuffisances éventuelles ont été établies en regard du levé scanner pris sur le rocher après l'alésage. Au vu des éléments fournis par le géomètre, le maître d œuvre a précisé les zones de sous-épaisseur devant être complétées par l entreprise. Le géomètre a eu en charge le marquage, sur le parement du béton existant, des zones à reprendre. L'épaisseur du béton projeté est déterminée grâce aux cellules parallélépipédiques construites entre les nuages de points du levé du rocher alésé et celui du béton projeté (cf. volume du déblai d'alésage) Chaque cellule 3D de comparaison reçoit une couleur en fonction de sa hauteur, qui correspond à l'épaisseur de béton. L analyse de l épaisseur de béton se fait en projetant les cellules colorées sur une surface de référence théorique. Cette surface de référence est établie en décomposant l'intrados du béton projeté en grandes surfaces élémentaires géométriques. Au tunnel de Cap Roux la surface de référence est composée de 4 surfaces élémentaires, deux plans pour les piédroits et deux surfaces cylindriques pour la voûte. La projection des cellules s'effectue normalement à la surface de référence. En développant la surface de référence on obtient une carte de synthèse 2D dont les couleurs représentent les épaisseurs du béton. Le haut du piédroit est la zone la moins chargée en béton (0 à 20mm d épaisseur). Des outils d édition de la carte (sélection de zones, filtres ) permettent d en retirer les volumes, surfaces, et des profils permettant de visualiser les épaisseurs. Le rattachement des nuages relevés sur le béton ainsi que la carte 2D ont été réalisés sur le site, à l'avancement du relevé. Le Légende : Unité, mm maître d œuvre a ainsi pu analyser la carte 2D directement sur le chantier pour déterminer les zones qu'il souhaitait faire recharger. Profil de contrôle d épaisseur Projection plane d un piédroit Les contours des zones à recharger sont définis sur la carte de synthèse 2D. Les points de chaque sommet des contours des zones à reprendre sont ensuite insérés sur le nuage 3D du béton afin de connaître leurs coordonnées XYZ dans le référentiel topographique. L implantation et le marquage des zones à recharger peuvent alors être tracés sur le parement du béton existant ainsi que l'indication des épaisseurs manquantes. e- Levé du tunnel après compléments de béton projeté Les compléments de béton projeté ont été réalisés dans la journée qui a suivi de marquage des zones à reprendre. Un quatrième levé scanner 3D a ensuite été exécuté. Il permet de contrôler les compléments apportés et de quantifier le volume total de béton projeté en place après les travaux. En rapprochant le volume total de celui de la surface relevée, il est aussi possible de comparer globalement l'épaisseur moyenne du Extrait de la carte de synthèse 2D. Piédroit côté mer 278 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N SEPTEMBRE/OCTOBRE 2006

5 béton projeté à celle qui est prévue au marché. Le quatrième levé est intégré aux documents de récolement. Enfin le Cetu souhaitait vérifier la possibilité d'établir une cartographie «photographique» de la développée de la voûte et des parois du tunnel, basée sur l acquisition des textures réelles du béton après travaux. La cartographie devait être exploitable sous DAO afin d'y représenter ultérieurement les désordres éventuellement constatés lors des futures inspections périodiques de l'ouvrage. f- Acquisition des textures par matrice numérique couleur L acquisition des textures réelles par matrice numérique couleur avait pour objectif de texturer le modèle 3D final constitué par le maillage de récolement du béton projeté (quatrième levé). L acquisition des textures a été réalisée par une matrice numérique couleur, de 17 millions de pixels. Le tunnel a été divisé en cinq tronçons de 5 m de longueur. Chaque tronçon est photographié par 2 clichés avec un recouvrement dans la zone de clé de voûte. L acquisition des textures est réalisée perpendiculairement à la surface de la voûte et des piédroits selon une maille de 1 pixel pour 3 à 5mm maximum de surface sur le béton. Les éclairages sont optimisés pour chaque cliché. Le tunnel du Cap Roux ne disposant pas d une possibilité d'alimentation sur secteur 220V, le choix du type et de la puissance de l éclairage a été limité. Les clichés, géoréférencés, ont été projetés sur le maillage 3D. Ce modèle texturé peut alors être analysé sous un logiciel de visualisation en diffusion libre. Le modèle a aussi été développé pour obtenir une cartographie 2D de la voûte et des parois du tunnel au 1/20 e et 1/50 e. Le document est exploitable sous logiciel de DAO. L image ci-dessous est le développé de 25m de piédroit du tunnel (échelle # 1/150 e ) Profil de récolement L image ci-dessous est un extrait du développé au 1/20 e, qui servira de support aux futures inspections de l ouvrage. (longueur de la zone présentée : 3.4m, secteur PM 5) TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N SEPTEMBRE/OCTOBRE

6 3 - ANALYSE DE LA PRECISION La précision des résultats obtenus par scanner, comme par profilomètre-laser dépend : de la précision de mesure du point 3D ; incertitude combinée (erreurs aléatoires et résidus de systématismes) de +/-4 à +/-6 mm à 50 m pour le scanner. de la précision de rattachement des points 3D au référentiel topographique (+/- 3 mm) de la précision du référentiel topographique mis en œuvre dans le tunnel (+/- 2 mm) de la densité de points mesurés qui est fonction de l irrégularité de la surface à relever. (1 point tous les 3 cm pour le chantier de Cap Roux). La vérification de la précision des levés scanner 3D dans le tunnel de Cap Roux a été établie de la manière suivante : en superposant les levés des zones extérieures, à proximité des têtes du tunnel, qui n'ont pas été concernées par l'alésage ni revêtues de béton. L'écart moyen constaté entre les différents levés est de l ordre de 5 mm, (pics inférieurs au centimètre). en procédant à quelques petits carottages dans le béton pour contrôler l'épaisseur du béton qui s'est révélée être en cohérence avec celle qui est obtenue par les levés. Outre la précision du scanner, la précision du résultat final dépendra toujours de la qualité des matériels topographiques utilisés pour ce type de levé, de l expérience et du savoirfaire en travaux souterrains des géomètres intervenant sur site et traitant l information. Globalement en tunnel, la précision à retenir pour les levés scanner 3D, en considérant les prises de données et leur traitement, est inférieure au centimètre. Cette valeur est à prendre en compte dans la précision attendue pour les contrôles et la détermination des quantités liées aux travaux. 4 - CONCLUSION Les essais topographiques avec les scanners 3D au tunnel de Cap Roux ont été très complets et ont permis de valider de nombreuses possibilités d'utilisation des levés au scanner 3D. Les essais ont démontré une bonne souplesse d'utilisation des levés scanner 3D qui ont pu être exécutés et exploités à l'avancement des travaux, moyennant des contraintes très réduites imposées au chantier. Comparativement les atouts des levés scanner 3D sont les suivants : En projet, l'avantage d un relevé laser 3D est de constituer une base de données géométriques exhaustive d un tunnel existant ou des zones de têtes d'un tunnel en projet, en une seule prise de données sur le terrain. On peut ensuite exploiter les nuages de points en bureau au cours de l avancement du projet, selon différents niveaux de traitement allant du simple profil à l intégration complète du projet 3D et aux métrés des travaux projetés. Des logiciels vont permettre aux utilisateurs de travailler directement sur les nuages de points, sans recourir au géomètre pour des opérations courantes (création de profils, cubatures, dessins 3D,...). Ces logiciels, en cours de développement par diverses sociétés, devraient permettre l'exploitation des nuages de points relevés par les différents scanners disponibles sur le marché, quel que soit le prestataire effectuant la prise de données. Pendant les travaux, la précision apportée par un levé scanner 3D ne réside pas seulement dans les paramètres évoqués ci-dessus, mais aussi dans l exhaustivité du relevé. Cette technique apporte davantage d'information car elle permet d analyser l ensemble de la surface du tunnel du point de vue du contrôle du gabarit, de la connaissance des épaisseurs de béton et du calcul des différents volumes et surfaces utiles aux vérifications. En récolement d'ouvrage, la base de données constituée grâce aux levés scanner 3D permettra de connaître précisément un ouvrage en tous points et sur tous les aspects (géologiques, position des soutènements, épaisseurs de revêtement, position des équipements). Cette base pourra servir de support aux inspections durant la vie des ouvrages. 280 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N SEPTEMBRE/OCTOBRE 2006