Suivi géologique et géotechnique en tunnel assisté par SIG Auteurs: Laurent Thum: laurent.thum@toscano.ch Reto De Paoli: reto.depaoli@toscano.ch D&T Geodata Management En partenariat avec EDY TOSCANO SA Place Chauderon 20a CH-1003 Lausanne Public visé: tout public Logiciels Esri utilisés: ArcGIS for Desktop + 3D Analyst Thématique: Géologie et tunnels Mots-clés: géologie, 3D, tunnel, tablette tactile Résumé: Le suivi géologique pendant l excavation d un tunnel a entre autre pour but la vérification des conditions géologiques définies en phase de projet. Une méthode de cartographie géologique assistée par SIG a été développée afin de faciliter l interprétation les données récoltées et permettre leur archivage sous forme géoréférencée. L acquisition des données géologiques et géotechniques au front d avancement est effectuée au moyen d une tablette tactile. Des outils de géotraitement ont été spécialement développés pour convertir les coordonnées des objets cartés en coordonnées géographiques afin de pouvoir les visualiser aussi bien en 3D que sur un plan horizontal à mihauteur du tunnel.
Un graphique parallèle à l axe du tunnel permettant de reporter de manière automatique des informations numériques liées aux avancements, améliore considérablement la compréhension des interactions entre le massif rocheux et le type de soutènement appliqué, diminuant ainsi les dangers liés aux travaux d excavation tout en optimisant les rendements. 1) Introduction Lors de l excavation d un tunnel, la probabilité d être confronté à des conditions géologiques imprévues et problématiques ne peut pas être exclue malgré la mise en oeuvre d investigations préliminaires approfondies. Le suivi des conditions géologiques du massif rocheux pendant l excavation d un ouvrage souterrain est par conséquent fondamental pour garantir l adéquation des mesures de soutènement prévues avec les conditions réelles de stabilité du terrain. Au cours des travaux d avancement, les principales fonctions du géologue sont l acquisition, l archivage, la synthèse et l interprétation des données géologiques et géotechniques. Les informations géologiques cartées au front d avancement étant souvent ponctuelles, il s avère parfois difficile de comprendre la géométrie et la systématicité des structures géologiques le long du tunnel sans effectuer une synthèse et une analyse des données récoltées. 2) Méthode développée Une technique de suivi géologique en tunnel a été développée à l aide du logiciel ArcGIS for Desktop et de son extension 3D Analyst. Elle vise à faciliter la synthèse et l interprétation de la grande quantité de données récoltées durant l excavation d un ouvrage souterrain tout en optimisant les tâches de relevé et de traitement de données du géologue. L acquisition des données géologiques et géotechnique au front d avancement est effectuée au moyen d une tablette tactile. Des processus de géotraitement automatisés permettent de convertir les coordonnées relatives de la carte du front ou des parois du tunnel en coordonnées géographiques. Ces données sont par conséquent géoréférencées et visualisables à leur position géographique réelle aussi bien dans un modèle 3D que sur plan horizontal situé à mi-hauteur du tube. (Figure 1).
En plus des données cartographiées au front, le plan horizontal permet d afficher la carte géologique de projet en arrière-plan et de confronter en tout moment les prévisions et l état effectif des conditions géologiques. Un graphique parallèle à l axe du tunnel (PDV pour «Parallel Data Viever»), permet de reporter de manière automatique des informations étroitement liées aux avancements sous la forme d une valeur par rapport à une distance le long de l axe du tunnel (Figure 2). Les données représentées dans le PDV peuvent être adaptées selon les spécificités du site et les intérêts de l utilisateur, mais ils s agit typiquement des mesures de convergence des parois, des débits et paramètres physico-chimiques des venues d eau, du volume et des hauteurs des blocs se détachant des parois ou encore des détails du soutènement appliqué pour assurer la sécurité de l excavation (nombre et type d ancrages, épaisseur de béton projeté, cintres métalliques, etc...). L interprétation de ces données numériques est facilitée par leur visualisation en lien spatial avec les données géologiques cartographiées et permet souvent d établir une relation de cause à effet entre différents éléments. (p.ex. pour un segment de tunnel donné, une augmentation des valeurs de convergence des parois associée à une diminution des propriétés mécaniques des roches et à une augmentation du volume des hors-profil s explique par la présence de roche de faille cartographiée sur le plan horizontal, et nécessite un certain type de soutènement). Il suffit ainsi d une brève analyse visuelle du plan horizontal pour établir quel type de soutènement a été utilisé pour faire face à des conditions géologiques précises et d appliquer les mêmes mesures lorsque les conditions se présentent à nouveau. Un grand avantage de l utilisation d un SIG pour la cartographie géologique en tunnel est que l ensemble des données est également disponible sous forme tabulaire et est donc facilement exploitable pour les analyses statistiques nécessaires à l établissement des rapports techniques inhérents à ce genre de projets. Le modèle 3D du profil effectif d excavation relevé par théodolite et des discontinuités (figure 3) permet d une part d identifier les structures problématiques pour la stabilité des parois et d autre part de modéliser avec précision les blocs qu elles délimitent. Ces blocs sont modélisés sous forme de multipatchs et leur volume, précisément connu, sert à la validation des mesures de soutènement. L utilisation de paramètres reflétant précisément la réalité du terrain permet d optimiser les rendements en adaptant la mise en sécurité aux conditions géologiques effectives.
3) Conclusion La cartographie digitale des parois du tunnel sur tablette et le géoréférencement automatisé des éléments géologiques rendent l acquisition de données plus efficaces et fournissent à l utilisateur des informations immédiatement archivées et interprétables. La coupe géologique horizontale couplée au PDV et au modèle 3D facilitent la compréhension des interactions entre amas rocheux et type de soutènement et permettent d optimiser les rendements d avancement tout en augmentant la sécurité des travaux. En outre, une synthèse visuelle des informations géologiques et géotechniques permet de présenter des concepts complexes de manière compréhensible même à des non-spécialistes. Crédits : La technique de relevé géologique en tunnel assisté par SIG a été développées par les géologues De Paoli et Thum (D&T) avec le soutien logiciel et matériel d Edy Toscano SA. Les concepts présentés ici sont précisément détaillés dans l article suivant : THUM, L. & DE PAOLI, R., 2015. 2D and 3D GIS-based geological and geomechanical survey during tunnel excavation. Engineering Geology, 192, pp. 19-25 Plus d informations, d exemples et d animations sont également disponibles sous : http://www.geol-gis.ch
Figure 1. Cartographie du front et des parois du tunnel à l aide d ArcMap sur tablette tactile. Représentation 2D des informations cartographiées sur un plan horizontal situé à mi-hauteur du tube. Modélisation automatique des discontinuités (failles et joints) en 3D dans ArcScene.
Figure 2. Plan géologique/géotechnique d une partie du Tunnel de base du Ceneri (Tessin, Suisse) avec représentation d informations numériques liées aux travaux d avancement dans un graphique parallèle au tube (PDV) Figure 3. Vérification des mesures de soutènement par la modélisation 3D du profil effectif d excavation relevé par théodolite, des discontinuités, d un bloc de roche désolidarisé de la voute et des ancrages employés dans ce segment de tunnel.