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Technical Report NTB 90-07

Grimsel Test Site Geophysical methods for the detection of discontinuities ahead of a tunnel face (out of print)

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En 1988, la Cédra a entamé au Site d'Éssai du Grimsel (GTS) un programme de recherche et de développement sur les possibilités de prédiction de discontinuités, au-delà du front d'un tunnel, par des méthodes géophysiques (techniques radar et sismiques).

Ce programme a pour objectif d'accroître les connaissances préalables de la masse rocheuse, pour garantir une sécurité suffisante lors de la construction d'un tunnel. En effet, les risques encourrus aussi bien que les coûts consentis seront grandement réduits s'il est possible de détecter à l'avance les principales zones de failles que le tunnel va recouper.

Les études et les essais ont été définis en fonction d'un certain nombre de buts pratiques:

  • les mesures doivent pouvoir s'insérer pendant les interruptions du cours normal des opérations. Elles ne devraient pas occasionner une augmentation des temps morts lors des travaux de construction.
  • la profondeur de pénétration des investigations devrait être d'au moins 100 m environ, afin que le traitement des données et leur interprétation puisse se faire avant que le tunnel ne recoupe les discontinuités identifiées.
  • la préparation des mesures ne devrait pas interrompre ou gêner les travaux de construction.
  • la méthode doit être applicable aussi bien aux techniques d'avancement conventionnelles qu'à celles mettant en oeuvre un tunnelier de pleine section.

Les premières investigations se basent sur la banque de données existante du GTS, elles utilisent à la fois des données d'essais radar et des données sismiques récoltées lors d'un projet de tomographie. Bien que le dispositif et le mode d'acquisition des données aient alors été dimensionnés pour une application tomographique et que les données soient loin d'être idéales pour une étude de sismique réflection, il a été possible d'obtenir quelques résultats significatifs. On a pu attribuer certains des réflecteurs identifiés à des zones de failles et des filons de lamprophyres connus.

Les mesures radar ont donné de bons résultats dans les roches à haute résistivité électrique comme le granite ou le sel gemme, mais possèdent une profondeur de pénétration trop faible dans les roches électriquement conductrices comme les marnes et argiles. Les travaux de la Cédra portant principalement sur les roches sédimentaires au cours des prochaines années, nous avons décidé, au vu des premiers résultats, de concentrer nos efforts sur les méthodes sismiques plutôt que sur les méthodes radar.

A la suite de discussions avec plusieurs experts, il est ressorti que l'approche la plus appropriée, dans notre cas, serait un "Profil Sismique Vertical" (VSP) modifié, une technique bien connue dans la géophysique de forage. Dans notre cas, il aurait été plus suggestif d'appeler cette méthode "Profil Horizontal de Tunnel", mais puisque nous nous référons à des méthodes développées pour des forages, nous conserverons le nom de VSP. Pour une évaluation plus objective des résultats, on recommande d'effectuer également des mesures sismiques conventionnelles le long du tunnel.

L'optimisation du dispositif de test a été faite par des calculs théoriques (modèle à différences finies). Elle montre que dans un cas idéal la source et les récepteurs devraient être placés à une certaine distance des parois du tunnel. En pratique, ce n'est guère possible, car cela nécessiterait plusieurs forages disposés radialement par rapport à l'axe du tunnel. Le meilleur compromis entre l'optimisation théorique et les contraintes pratiques consiste à placer la source dans un forage radial à une distance d'au moins 4 m de la paroi du tunnel, et de placer les récepteurs directement sur cette dernière. Avec un tel dispositif, on pense réduire l'onde de surface du tunnel tout en maintenant une durée de mesures raisonnable. Toutefois, comme les mesures au GTS consistaient à expérimenter une méthodologie, on ne s'est pas contenté de tester le dispositif le plus prometteur en théorie. On a également testé d'autres configurations, pour confirmer la validité des résultats théoriques et optimiser le procédé opérationnel.

On a testé les configurations VSP suivantes:

  1. Chaîne de 7 récepteurs dans un forage radial et marteau manuel comme source. Les points de tir ont été placés le long du tunnel et espacés de 0.7 m.
  2. Chaîne de 7 récepteurs dans un forage radial et petits explosifs comme source. Les points de tir ont été placés le long du tunnel et espacés de 0.7 m. Les charges explosives étaient placées dans de petits trous (l= 400 mm, Φ=14 mm).
  3. Explosifs comme source dans le forage radial et récepteurs le long du tunnel, espacés de 0.7 m.

En plus des mesures de type VSP, on a effectué un profil sismique conventionnel le long du tunnel, avec tirs sur la ligne de mesures (array). Les points de tir et les récepteurs étaient disposés avec un espacement respectif de 0.7 m, avec un décalage (offset) de 0.35 m entre le point de tir et le récepteur, correspondant à une distance entre des positions miroir ("Common Depth Point") de 0.35 m. Les sections brutes de tous les enregistrements n'ont révélé que de faibles réflections. Ceci est dû à la réflectibilité très faible des zones de failles au GTS, comparée à celle de sédiments stratifiés. En conséquence, le traitement a nécessité un grand nombre de paliers qui ne sont pas discutés en détail dans cet article. En général, les ondes directes P et S ainsi que les ondes S réfléchies ont été supprimées en utilisant un filtre bidimensionnel (median filter), tandis que les réflections P restantes ont été réhaussées par un filtrage spécial (Image Point Filtering), une méthode basée sur les transformations généralisées de Radon et développée par C. Cosma et ses collaborateurs à la société Vibrometric.

Pour clore ce projet, on a investi un grand effort dans le développement de techniques de transformation des résultats géophysiques en une image géologique non ambiguë et fiable. Les nombreuses études effectuées préalablement au GTS nous ont permis de comparer, au cours des différentes étapes du travail, nos prédictions géophysiques formulées en termes de structures avec l'information exhaustive disponible. On a constaté un excellent accord entre la localisation des structures prédites et celle des structures réelles. Nous avons pu identifier les discontinuités jusqu'à des distances d'environ 150 m.

La section de réflection conventionnelle a été établie en utilisant les procédures de traitement sismique standard. La profondeur d'investigation se situait aux alentours de 40 m seulement, à cause de la faible intensité du signal source (marteau manuel). Dans cet espace toutefois nous avons pu détecter un certain nombre de réflecteurs, principalement des filons de lamprophyre. De plus, nous avons obtenu de bonnes réflections d'une galerie proche. Bien que cet essai ait été couronné de succès, nous pensons que la configuration VSP représente un meilleur dispositif de mesure pour la prédiction.

Afin de tester la méthode dans un cas réel, nous avons effectué des mesures VSP dans le tunnel de Leissigen en août 1990, un tunnel routier alors en construction dans le canton de Berne. Nous avons utilisé les mêmes séquences de traitement que pour les essais antérieurs. Bien que la situation géologique et les conditions de travail aient été plus compliquées qu'au GTS, les prédictions obtenues ont bien reproduit les structures géologiques connues ou supposées sur le site du tunnel.

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