Manuel. Le forage dirigé et ses avantages

Manuel Le forage dirigé et ses avantages

Le forage dirigé et ses avantages Le forage dirigé et ses avantages Système de canalisation en fonte ductile à emboîtement verrouillé (BLS ) et protection extérieure par un mortier de ciment stabilisé par une résine (ZMU). L origine de l emploi des méthodes de pose de canalisation sans tranchée provient de situations particulières comme le franchissement de voies ferroviaires, de routes à grande circulation, de rivières, ou de sites n autorisant pas de tranchée, et de nos jours pour des raisons évidentes de nouveaux paramètres nous conduisent à utiliser cette méthode lorsqu une tranchée va poser problème. La gêne de la circulation entraînant des coûts indirects tels la mis en place d une signalisation provisoire, l installation de l équipement sécuritaire, et éventuellement l organisation de déviations routières coûteuses. La réduction des coûts sociaux est certainement la plus difficile à évaluer, la gêne de la circulation avec une augmentation potentielle d accident, la dégradation de l environnement entraînant parfois une dévalorisation partielle de site, ainsi que les conséquences économiques dans les lieux de commerce au passage très fréquenté.

Le forage dirigé et ses avantages Les reconnaissances préliminaires La réalisation de forages dirigés nécessite la connaissance de la nature et caractéristiques des sols où doivent être réalisés les ouvrages. Les fascicules 69 et 70 du CCTG se rapportant aux travaux souterrains souligne l importance des investigations préalables d analyse des profils de terrains pouvant soulever des cas d hétérogénéité transversale. Ces études doivent mettre en évidence une nappe phréatique ou la possibilité temporaire de celle ci, la perméabilité des sols dans lesquels le tracé est prévu, la présence de blocs locaux de matériaux gonflants, collants, de poche d eau, de sable ou graviers et galets. De roche dure et de matériaux abrasifs. Une étude géotechnique doit permettre d établir pour l entreprise exécutrice le dimensionnement provisoire et définitif des chantiers, afin de déterminer les équipements tels, blindage de puits, massifs de poussée, le choix du matériel de creusement, la mise en oeuvre et les cadences. Fig : installation équipement sans tranchée Fig : installation tranchée ouverte

Le forage dirigé et ses avantages Historique Les forages dirigés sont nés il y a environ un quart de siècle aux États unis d Amérique, ils proviennent directement des techniques de forages pétroliers. L application de ces techniques est encore très faible en Europe, 25-30% en Allemagne contre 5 à 6% en France par exemple. Les travaux sous voirie, et les traversées de lieux particuliers sont les cas de figure les plus répandus enfin là où une tranchée n est est aucun cas envisageable, telle la présence de terrains meubles dont la tenue ne peut être assurée correctement par un blindage, ou la présence de terrains durs pour lesquels la démolition est génératrice de nombreux problèmes, la présence de nappe phréatique créant très souvent des tassements de structures environnantes, puis le constat à long terme que le forage souterrain génère moins de risque de tassement. Fig : Réalisation de chantiers de forages dirigés

Le forage dirigé et ses avantages La performance du lien BLS -ZMU La tulipe BLS du tube en fonte ductile Buderus comporte 2 chambres, la première où va être placé le joint d étanchéité TYTON, ce type de joint réalisé aux États unis dans les années 60 est certainement le plus répandu au monde, il peut supporter des pressions énormes dépassant de beaucoup la résistance mécaniques des tubes, (lors d essais d éclatement). La seconde chambre assure le verrouillage, le tablier de la tulipe possède 1 ou 2 lumières suivant les diamètres permettant de placer aisément les clés de verrouillage, l intérieur de la chambre est conique, l effort du verrouillage repose sur le lien, clés cordon de soudure du bout emboîté. Le revêtement extérieur ZMU est un mortier de ciment de 5 mm stabilisé par une résine. Ce mortier est déposé en fabrication par une buse sur la surface extérieure zinguée, et maintenu par un filet de polyéthylène ne permettant aucune déformation de cette protection. Cette protection assure une double fonction, premièrement la protection mécanique, élément fondamental pour un forage dirigé, car la surface extérieure dans la majorité des cas est très sollicitée, d autre part dans le cas d un dommage local, il est aisé d effectuer une réparation rapide et simple. Deuxièmement, cette protection classée dans l annexe D2.4 par la norme EN 545 de février 2007, permet d installer un réseau en terrain de tous milieux agressifs. La définition détaillée est reprise dans la norme EN 15 542. 6

Le forage dirigé et ses avantages Conservons les matériaux nobles pour notre patrimoine Lorsque l on excave une tranchée, une grande partie du volume extrait doit être remplacé par des matériaux dits nobles, provenant de nos ressources naturelles, les matériaux, leur extraction et le transport représentent un coût non négligeable de l ensemble d un chantier, sur lequel il doit y être rajouté l évacuation des anciens matériaux de la tranchée représentant environ 80% du volume complet. Ne gaspillons pas nos matériaux nobles, et ne remplissons pas nos décharges en voie de disparition. Fig : immobilisation d un espace important en tranchée ouverte Fig : le sans tranchée ne perturbe pas ou peut la circulation installation tranchée ouverte équipment installation équipement sans tranchée volume des matériaux transportés Fig : comparaison des volumes échangés entre les 2 méthodes 7

Le forage dirigé et ses avantages La pose et son avantage Estimation théorique de pose de 100 m canalisation de DN 80 en ville sous voirie. Pose à tranchée ouverte : Premier jour : Deuxième jour : Troisième jour : Quatrième jour : installation du chantier, signalisation, découpe des enrobés. ouverture de la tranchée transport des déblais en décharge. pose d un lit de sablon, pose de la canalisation, remblaiement de la tranchée. Compactage de la tranchée, réfection des enrobés, démontage du chantier. Pose en forage dirigé: Premier jour : Deuxième jour : repérage des réseaux, préparation du profil de forage, réalisation des fouilles (chambres entrée-sortie). forage pilote, alésage et tirage de la canalisation. 8

Pose de canalisation sans tranchée par éclatement

Généralité 4. Pose de canalisation sans tranchée par éclatement 4.1 Généralité La pose de canalisation par éclatement permet d éviter d effectuer une tranchée et d autre par de conserver l ancien tracé. Pour ce type de réalisation il est utilisé une tête conique à ailettes ou lisse, qui est tirée Par un câble ou un jeu de tringles suivant le type de machine utilisée. Les pièces éclatées sont pressées dans le terrain par le passage de la tête d éclatement ou retirées du passage.les tubes fixés à la tête conique viennent remplacer l ancienne conduite. On distingue deux procédés de réalisation par éclatement : un dynamique et un statique. La pose dynamique par éclatement (dessin 4.1) a été développée sur la base d une fusée équipée d un cône d élargissement pour le remplacement de canalisation en grès., émettant toutefois des vibrations assez fortes dues au perforateur pneumatique. Dessin 4.1 : procédé de fonçage dynamique Cette solution est réalisable dans les situations ou le risque d influencer des canalisations proche du passage de travail n existe pas, ou est mesurable. C est la raison pour laquelle il a été développé la pose statique par éclatement (dessin 4.2) tête conique lisse pouvant être équipée d un cône à ailettes (dessin 4.3). La tête est tirée par un train de tiges ou câble, cassant l ancienne conduite en fonte grise en pressant les morceaux cassés dans la terre du tunnel, cela évite toute transmission de vibration importante. La nouvelle conduite de remplacement est accrochée à la tête de fonçage, le diamètre du micro tunnel est environ 10% supérieur à celui de la conduite neuve. Les deux méthodes de fonçage, dynamique et statique sont généralement très utilisées dans le remplacement d anciennes conduites constituées matériaux cassables, tel l amiante ciment, le grès ou la fonte grise. Les canalisations en fonte Gs ou en acier peuvent être traitées par le fonçage dynamique, avec des équipements de découpe spéciaux. Une canalisation de même diamètre ou supérieur est accrochée à une tête conique et tirée pendant l exécution de la découpe des anciens tubes. 10

Généralité Méthode d application Dessin 4.2 : tête conique pour fonte grise Dessin 4.3 : tête conique à ailettes La pose d une nouvelle conduite par fonçage en remplacement d une canalisation en amiante ciment évite d effectuer une manipulation complexe de récupération de l ancienne canalisation en cas de tranchée ouverte. Il est possible d installer une nouvelle canalisation de un ou deux diamètres supérieurs à celui en place. Dans le cas d un diamètre inférieur, l ancienne conduite peut être utilisée comme fourreau pour la nouvelle canalisation. La longueur d intervalle d un fonçage est très souvent liée à l obligation d installation d un collier de branchement, d une vanne, ou d une pièce de dérivation, mais encore aussi aux mauvaises informations d un plan plus à jour. 4.2 Méthode d application. Comme cela a été précisé, il y a une différence fondamentale entre les fonçages statiques et dynamiques. Dans les deux cas il est introduit une tête d éclatement dans la conduite à remplacer, l éclatement produit des morceaux représentés dans le dessin (4,4) ou bien sectionne la conduite sur toute sa longueur, dans ce cas l ancienne conduite reste en terre. 4.4 Dessin : morceaux de fonte grise éclatés 4.5 Dessin : découpe longitudinale controlée 4.2.1 Méthode de fonçage dynamique Le fonçage dynamique effectue un sectionnement longitudinal sur la canalisation à remplacer. La découpe est assurée par une fusée équipée de roue de perforation commandée par un compresseur hydraulique, l ensemble est tiré par le câble d un treuil placé dans la fosse opposée à celle de départ. Cette méthode est employée dans les terrains très compacts et pierreux sur des matériaux cassables et fragmentables. 11

Méthode d application. 4.2.2 Méthode de fonçage statique Le fonçage statique est réalisé par une tête de fonçage tirée par un jeu de tringlerie actionné par une unité de commande placée dans la fosse réceptrice. (dessin 4.6) Dessin 4.6 : procédé de fonçage statique L unité de traction prend appui sur le mur de la fosse receveuse côté tube. Les segments de la tige de traction sont enlevés à mesure de leur sortie. La méthode statique s applique pour des terrains homogènes et souples. Dessin 4.7 : molette de perforation pour fonte ductile Dessin 4.8 : tête conique à ailettes et molettes de sectionnement Actuellement il a été réalisé des fonçages sur des réseaux existants en fonte ductile et en acier remplacés par des tubes de fonte ductile. Dans ce type de configuration l ancien réseau est sectionné par des molettes de perforation, une tête conique à ailettes munie de molettes de sectionnement (dessin 4.7 et 4.8), en finale une tête conique lisse applique les parties découpées sur la paroi afin d obtenir un passage libre pour la nouvelle conduite. Cette méthode a été réalisée sur un réseau de DN 400 (dessin 4.1). Dessin 4.9 : tête de forage pour traction de deux tubes 12

Méthode d application Matériau pour réseau L ensemble repris sur le dessin ci-dessus 4.9 représente le positionnement de deux tubes, l un en fonte ductile pour eau potable, l autre un fourreau pour câble de liaison en remplacement d un tube en acier. 4.3 Matériau pour réseau Du fait d information parfois imprécise des terrains dans lesquels un nouvel équipement doit être installé, et d autre part la présence de parties métalliques saillantes provenant des tubes éclatés lors du fonçage (dessin 4.4) Il est indispensable de protéger la partie extérieure des tubes afin que ceux-ci ne soit pas soumis à d éventuelles agressivités locales dues à des blessures de surface (Rainures, grattages) causées mécaniquement par les morceaux métalliques restés en périphérie de la nouvelle conduite. 4.3.1 Protection extérieure des tubes Dans l application de travaux de fonçage il est utilisé un tube à protection extérieure en ciment stabilisé par un résine (ZMU). Cette résistance permet de résoudre les problèmes de protection contre la corrosion classée par la norme EN 545 de 2007 (annexe D2.4) Ce type de protection autorise tout type de terrain, ainsi qu une résistance mécanique liée au compactage avec les matériaux du site et des pierres (angle saillant de 10x10 cm). Lors d une installation par fonçage il est recommandé que l emboîtement soit protégé par une manchette thermo rétractable, afin d assurer d une bonne étanchéité contre l agressivité éventuelle de terrain. Un cône métallique doit recouvrir la tulipe d emboîtement pour assurer une protection mécanique supplémentaire de l endroit le plus sollicité (dessin 4.10). Dessin 4.10 : tube fonte ductile à emboîtement verrouillé BLS. Avec protection mortier de ciment stabilisé par une résine. 4.3.2 Emboîtement Dans toutes les méthodes de pose de canalisation sans tranchée, le point sensible le plus important est le système de verrouillage des emboîtements. Cet ensemble de verrouillage est soumis à des contraintes mécaniques de traction gigantesques. Ce point crucial a été solutionné par la réalisation d un système de verrouillage assurant aujourd hui la résistance à la traction la plus performante de tous les types de verrouillage actuels, dans les différents matériaux. (tableau ci-dessous) 13

Matériau pour réseau Résumé traction [kn] matériau PEHD SDR 11 PEHD 100 SDR 11 St 7 emboîtement BLS diamètre nominal Il est à noter l importance d un verrouillage puissant dans des types de terrains très dense et dur. 4.4 Résumé Le tube Buderus à emboîtement verrouillé protégé extérieurement par un mortier de ciment stabilisé par une résine répond entièrement à la réalisation de travaux de changement de réseau sans tranchée par la méthode de fonçage. Objet DN an Erfurt 10 2001 Gladenbach - Erdhausen Bad Laasphe 10 200 100 200 100 200 200 2007 Ober Rabenstein 20 2006/07 Zittau 200 2007 Siegen 10 2007 Tableau 4.1 : Extrait du tableau des réalisation de pose par fonçage de tubes fonte ductile de Buderus Giesserei Wetzlar GmbH. 1

Pose de canalisation fonte ZMU/BLS par forage dirigé

Généralité 5. Pose de canalisation fonte ZMU/BLS par forage dirigé 5.1 Généralité Le développement de la méthode de pose de canalisation en fonte ductile par forage dirigé a débuté dans les années 90, en Allemagne. En 1993 afin de pouvoir constater l état de la surface de la canalisation fonte ductile protégée extérieurement par un mortier de ciment stabilisé par une résine (ZMU). Il a été procédé à un forage dirigé de 60 mètres de longueur de DN 150, puis les tubes ont été ressortis pour examen de contrôle des surfaces extérieures. La protection s est avérée exceptionnelle. A cette suite il a été posé en 1994 2 lignes de 200 mètres de longueur de DN 250 en traversée de la Moselle près de la ville de Kinheim, dans un terrain est en partie rocheux. Fig. 5.1 : Tubes assemblés DN 500 Fig. 5.2 : arrivée en fosse A la suite de ces résultats positifs le développement de cette technologie a connu rapidement une grande ampleur. En 1996 nous sommes passés au tube de DN 500 (photo 5.1/5.2), Dans l année 2000 nous avons posé du DN 600, en 2003 du DN 700 (chantier réalisé en Hollande) pour finir en 2007 sur la réalisation la plus grande actuellement d Europe de la pose d une canalisation en fonte ductile de 480 mètres de DN 900 (BLS /ZMU). Pendant toute cette période,en parallèle le service étude du DVGW (institution technologique pour le gaz et l eau) a élaboré un cahier de techniques d application (GW 321) sur la pose de canalisations par forage dirigé. 16

Généralité Méthode d application Fig. 5.3 : canalisation assemblée DN 900 Fig. 5.4 : Fig. 5.5 : canalisation en flottaison DN 900 début du tirage avec aléseur de la conduite 5.2 Méthode d application. La méthode de forage dirigé employée actuellement est la plus répandue pour la pose de canalisation fonte pression pour eau et gaz. La pose d une canalisation sans tranchée se réalise sur un minimum de 3 temps. 1. premier passage de la tête de forage (trou pilote) 2. passage de l aléseur (une ou plusieurs fois) 3. passage de la canalisation. 17

Méthode d application. 5.2.1 Principe de réalisation : Une tête de forage équipée d un bec d usure adapté à la nature du terrain est actionnée mécaniquement par un train de tiges (poussée-rotation). Cette tête de forage est équipée de buses d injection projetant sous haute pression la boue de forage indispensable à l élaboration du conduit. Cette boue de forage composée d eau, de bentonite et de différents additifs est injectée sous haute pression (jusqu à 150-180 bars) dans le conduit. Ce matériau a un rôle indispensable dans l élaboration. Tels : L évacuation de déblais La consolidation du chemisage du conduit La lubrification et le refroidissement des pièces dynamique. La participation au forage due à la haute pression Fig. 5.6 : Bec de forage Détection et guidage La tête de forage est équipée d une sonde émettrice précisant en permanence son positionnement (profondeur, inclinaison, position horaire). Ces informations sont transmises à un récepteur et permettent ainsi à l opérateur de guider le forage. Le bec de la tête de forage étant asymétrique, il est donc possible par l action d un angle de rotation de modifier sa trajectoire. Fig. 5.7 : tarière 18 Fig. 5.8 : aléseur

Méthode d application 5.2.2 Alésage (un ou plusieurs) Un aléseur et un émerillon vont être installés afin d agrandir le diamètre. (le diamètre demandé est toujours 1,5 fois le diamètre de la conduite). L aléseur est équipé de gicleurs pour l injection de la boue de forage, celle-ci permet de lubrifier et consolider le tunnel, d évacuer les déblais et de refroidir les outils de forage. 5.2.3 Mise en place de la canalisation La canalisation est précédée du dernier aléseur et tirée jusqu au point d entrée. Les performances du forage dirigé dépendent des facteurs suivants : Les caractéristiques de la foreuse La force de traction Le couple La capacité de la pompe à boue Le rayon de courbure de la canalisation La géométrie et la régularité du profil La nature du terrain La nature de la canalisation Les boues Actuellement la composition des boues est en majeure partie des bentonites. Les bentonites sont des argiles colloïdales sodiques (silicate d alumine) caractérisées par une structure (en feuillet). Ces feuillets chargés électriquement se désolidarisent et se dispersent au contact de l eau. Cette particularité leur confère des propriétés tels : Une surface spécifique très importante Une forte capacité de gonflement par absorption de grande quantité d eau Dans certains cas les bentonites sont associées à des additifs tels les polymères permettant d augmenter leur viscosité. Certains polymères possèdent des propriétés physico-chimiques permettant de remédier à des problèmes tels : Inhibition des argiles collantes ou gonflantes. Mis en suspension et transport des déblais rocheux Apporter une stabilité du tunnel dans les terrains à graviers ou sablonneux. 19

Méthode d application Fig. 5.10 : Tête de traction DN 900 BLS Fig. 5.9 : Outil d alésage Tableau : Extrait du tableau des réalisation de pose par forage dirigé de tubes fonte ductile de Buderus Giesserei Wetzlar GmbH. Objet DN an Valencia, Spanien 900 2007 Blankenfelde Mahlow, Kreuzung L40 300 2006 Schwante, Dorfstraße 300 2006 Nieder Neuendorf, Düker Havelkanal 200 2006 Wolfenbüttel 500 2006 Halle, Maxim-Gorki-Straße 150 2006 Rügen, Prora 3. BA 300 250 2005 Großbeeren, Kleinbeerener Straße 300 2005 Nieder Neuendorf, 1 BA 200 2005 Eichwalde 300 2004 Berlin Frohnau 100 2004 Münster bei Dieburg 100 2004 Dieburg, Groß-Umstädterstraße 150 2004 Pegau 300 1998 Schönebeck, Abwasserdruckleitung 500 1997 Rostock 500 1997 Wutha 400 1997 Henningsdorf 500 1996 Oranienburg 500 1996 Frankfurt am Main 100 1996 Offenbach 100 1995 Kinheim, Moseldüker 150 1994 20

calculs Diamètre DN en mm pression autorisée PFA en bar traction autorisée en kn (1) (2) déviation en degré rayon de courbure minimum en m 80 110 70 115 5 69 100 100 100 150 5 69 125 100 140 225 5 69 150 75 165 200 5 69 200 63 230 350 4 86 250 44 308 375 4 86 300 40 380 380 4 86 400 30 558 650 3 115 500 30 860 860 3 115 600 32 1200 1525 2 172 700 25 1400 1650 1,5 230 800 16 1460 1,5 230 900 16 1845 1,5 230 1000 10 1560 1,5 230 Tableau : force de traction autorisée, déviation et rayon de courbure minimum en mètres pour les tubes fonte ductile à emboîtement BLS Ces calculs ont été effectués sur la base de la classe K9. Les tractions autorisées position 1 sont données par le DVGW et la position 2 par la société des eaux de Berlin. Dans le cas d un tracé horizontal rectiligne avec un maximum de déviation de 0,5 la traction autorisée peut être augmentée de 50 kn Du DN 80 au DN 250 il est impératif de rajouter la clé haute pression. 21

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Buderus Giesserei Wetzlar GmbH Gussrohrtechnik Postfach 120 7 Wetzlar Phone: 0 6 1-9-1 10 Fax: 0 6 1-9-16 1 E-Mail: silke.hackl@gussrohre.com www.gussrohre.com BGW/RV 8 06/09 f 1000 BD