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Puits profonds et galeries inclinées GT28R1F1 www.aftes.asso.fr ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN Organisation nationale adhérente à l’AITES R R R e e e c c c o o o m m m m m m a a a n n n d d d a a a t t t i i i o o o n n n s s s d d d e e e l l l A A A F F F T T T E E E S S S

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Puits Profonds Et Galeries Inclinées

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Puits profonds et galeries inclinées

GT28R1F1

www.aftes.asso.fr

ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELSET DE L’ESPACE SOUTERRAIN

Organisation nationale adhérente à l’AITES

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Recommandations de l’AFTES n° GT28R1F1

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 200894

Puits profonds et galeries inclinées

Texte présenté par Pascal GUEDON (ARCADIS) animateur du Groupe de travail GT 28, Assisté de Alain BOCHON (SNCF), Jean ESTIVALET (Geostock), Bernard LASNE (Campenon Régions), André LESAVRE (ANDRA)

Etabli avec la participation de :Pilippe AUTUORI (BOUYGUES), Simon BERNARD (BONNA), Rémy BILLANGEON (SBTPCI),

Bernard CANEVET (RAZEL), Daniel CHARDIN (SOGEA), Bruno DARDARD (SNCF),Alain GILBERT (TEC), Jean-Claude LARRIBE (SBTPCI), Raymond SUBE

Sont remerciés pour leurs apports de relecteurs : Jacques BOTTE (SBI), Jean-Luc PERRIOLLAT (EDF/CIH), Jean PIRAUD (ANTEA)

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1 - PREAMBULE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 95

2 - TERMINOLOGIE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 962.1- Définition des différentes catégories d’ouvrages - - - 96

2.1.1 Distinction entre galeries inclinées et puits - - - - - - - - 962.1.2 Puits verticaux et sub-verticaux - - - - - - - - - - - - - - - 962.1.3 Puits inclinés - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 962.1.4 Galeries inclinées et descenderies - - - - - - - - - - - - - 962.1.5 Galeries sub-horizontales - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 96

2.2 - Critères de profondeur pour les puits - - - - - - - - - - - 97

3 - CHAMP D’APPLICATION DE LA RECOMMANDATION - 97

4 - FONCTIONS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 974.1 - Fonctions liées aux contraintes d’exploitation d'un

ensemble d'ouvrages - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 974.2 - Fonctions liées aux contraintes d’exécution de ces

ouvrages - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 97

5 - CRITÈRES ET CONTRAINTES INFLUANT SUR LA CONCEPTION DES PUITS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 975.1 - Contraintes réglementaires - - - - - - - - - - - - - - - - - - 975.2 - Contraintes géologiques et hydrogéologiques - - - - - 975.3 - Contraintes d’exécution - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 985.4 - Contraintes d’exploitation - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 985.5 - Autres contraintes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 98

6 - RECONNAISSANCE DU CONTEXTE GÉOLOGIQUE, HYDROGÉOLOGIQUE ET GÉOTECHNIQUE - - - - - - - - - - 98

7. CONCEPTION DU PROJET - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 987.1 - Section droite - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 997.2 - Nature du revêtement - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 99

8 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OU INCLINÉS CREUSÉS EN DESCENDANT - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 998.1 - Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 99

SOMMAIRE

Version R1F1, approuvée par le Comité technique de l’AFTES le 17 janvier 2008L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

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TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 95

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8.2 - Creusement de puits verticaux par méthode traditionnelle - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 99

8.2.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 998.2.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 998.2.3 Description du procédé d’exécution - - - - - - - - - - - - 1008.2.4 Références - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 108

8.3 - Forage vertical en grand diamètre - - - - - - - - - - - - - 1098.3.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1098.3.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1098.3.3 Description du procédé d’exécution - - - - - - - - - - - - 1098.3.4 Références - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 111

8.4 - Forage par élargissement descendant sur avant-trou8.4.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1118.4.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1118.4.3 Description du procédé d’exécution - - - - - - - - - - - - 111

8.5 - Autres techniques peu utilisées ou à titre expérimental - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 112

8.6 - Puits et galeries profonds inclinés creusés en descendant - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 112

8.6.1 Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1128.6.2 Puits et galeries traditionnels sans avant-trou - - - - - - 1128.6.3 Puits et galeries inclinés exécutés sur avant-trou - - - - 113

9 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OU INCLINÉS CREUSÉS EN REMONTANT - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1139.1 - Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 113

9.2 - Puits verticaux creusés par alésage montant ou “ raise boring ” - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 113

9.2.1 Principe - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1139.2.2 Domaine d’application - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1139.2.3 Procédé d’exécution - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1139.2.4 Contraintes de la méthode - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1149.2.5 Références - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 115

9.3 - Autres techniques de creusement de puits verticaux 1159.3.1 Creusement par le procédé ALIMAK - - - - - - - - - - - - 1159.3.2 Méthode BorPak - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 116

9.4 - Puits et galeries inclinés creusés en montant - - - - - 1179.4.1 Adaptation des méthodes des puits " verticaux " - - - 1179.4.2 Tunneliers - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 117

10 - EVALUATION DES SOLLICITATIONS DANS LES SOUTÈNEMENTS ET REVÊTEMENTS - - - - - - - - - - - - - - 11810.1 - Préambule - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 11810.2 - Cas de charge à considérer - - - - - - - - - - - - - - - - - 118

10.2.1 Phase de réalisation de l’ouvrage - - - - - - - - - - - - - - 11810.2.2 Phase d’exploitation de l’ouvrage - - - - - - - - - - - - - - 118

11 - AUSCULTATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 119

12 - COMPARATIF DES PRINCIPALES MÉTHODES DE RÉALISATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 119

C e texte s’adresse en premier lieu aux différents intervenants (Maîtres d’ouvrage, Maîtres d’œuvre, Bureaux d’études, Entreprises detravaux,...) œuvrant dans la réalisation de puits profonds et de galeries inclinées.

Son objectif principal est non seulement d’éviter certaines erreurs de conception en amont du projet, mais également de contribuer àaméliorer le savoir-faire dans ce domaine, en s’appuyant sur l’expérience acquise par les praticiens qui l'ont rédigé.

La réalisation de puits profonds ou de galeries inclinées trouve ses principaux domaines d’application dans les exploitations minières, lesaménagements hydrauliques, les stockages souterrains, ou encore dans les ouvrages d'accès et d'aérage des tunnels profonds.

Aujourd’hui, du fait de la raréfaction des ouvertures de mines souterraines et des aménagements hydroélectriques en Europe centrale etoccidentale, la réalisation de puits profonds devient une activité ponctuelle et presque confidentielle ; aussi, le savoir-faire, les compé-tences et la construction de matériel spécifique suivent cette tendance.

1 - PRÉAMBULE

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2.1.3 - Puits inclinésLes puits entrant dans cette catégorie sont ceux dont l’incli-naison ne permet plus l’utilisation de matériel traditionnel (àpartir d’une inclinaison sur l’horizontale inférieure à 75°).

En attaque descendante, il est alors nécessaire de prévoir uneinstallation particulière pour la remontée des déblais.

En attaque montante, il convient de prévoir une plate-forme detravail.

2.1.4 - Galeries inclinées et descenderiesLa limite entre ces deux catégories est la pente au-dessus delaquelle la galerie ne peut plus être desservie par des enginsautonomes, sur pneus ou sur chenilles, circulant sur un radier(~25%).

Les limites de pentes ou rampes (comptées sur l’horizontale)qu’il convient d’admettre pour ces matériels classiquementutilisés en descenderies sont :

• engins sur pneus (trackless) < ~ 9° (~ 15%). Certains maté-riels miniers sur pneus permettent de franchir localement despentes de 25% ;

• engins sur chenilles < ~ 14° (~ 25%) et exceptionnellement30% sur de courts tronçons.

La limite inférieure des descenderies peut être fixée convention-nellement à 7 %.

2.1.5 - Galeries sub-horizontalesLes galeries entrant dans cette catégorie sont celles dont lapente ou la rampe est comprise entre 0° (0 %) et 4° (7 %).

Aux engins sur pneus et sur chenilles, qui sont courammentutilisés pour la réalisation des galeries sub-horizontales, il

convient d’ajouter le matériel sur voie ferrée qui esttoutefois limité à des pentes et rampes de 2°

(~3,5%).

Autrefois la dénomination " Puits " étaitréservée aux excavations réalisées par

méthode descendante et la dénomination" Cheminées " à celles utilisant des

méthodes montantes. De même, lespuits et galeries inclinés excavés en

m o n t a n t é t a i e n t a p p e l é s "montages ". Ces anciennes termi-nologies, d’origine minière,n’ont pas été reprises dans la

présente recommandation.

2 - TERMINOLOGIE

2.1 - Définition des différentes catégories d’ouvragesDans un souci de simplification, nous proposons les définitionssuivantes pour les différentes catégories d’ouvrages souterrains.

2.1.1 - Distinction entre galeries inclinées etpuitsNous désignerons sous le vocable " galeries inclinées ", lesouvrages présentant un angle par rapport à l’horizontale infé-rieur à 45° et sous le vocable " puits " ceux présentant un anglesupérieur à 45° par rapport à l’horizontale (cf. figure 1).

On notera qu’en pratique, les ouvrages non verticaux maisinclinés d’un angle supérieur à 45° sur l'horizontale sont trèsrares en dehors du secteur minier.

2.1.2 - Puits verticaux et sub-verticauxLes puits strictement verticaux pourraient constituer à eux seulsune catégorie en soi, car ils permettent une desserte de l'ou-vrage par des mobiles uniquement suspendus.

Sont considérés comme puits sub-verticaux, ceux qui peuventêtre exécutés à l’aide de matériel traditionnel. Leur inclinaisonpar rapport à l’horizontale est conventionnellement compriseentre 75° et 90°.

Figure 1Terminologie des puits,

galeries inclinées,descenderies et

galeries sub-horizontales

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• fonction aéraulique ;• fonction de secours ;• fonction de reconnaissance de terrain ou, plus fréquemment,d'accès à des galeries de reconnaissance.

5 - CRITÈRES ET CONTRAINTESINFLUANT SUR LA CONCEPTION

DES PUITS

5.1 - Contraintes réglementairesNombre de puits sont utilisés pour l’extraction de matériaux oupour la ventilation d’exploitations souterraines profondes, aussileur réalisation s’est faite, bien souvent, dans un contexte régle-mentaire de type minier, défini au niveau national (Règlementgénéral des mines, Règlement général des industries extrac-tives,…). En France, ces textes s'attachaient à donner des règleset des consignes précises à l’exploitant et à son personnel d’exé-cution (ingénieur, chef-porion, machiniste, receveur, mineurd’about…).

Dans le domaine des travaux publics, la réglementationimposée par l'Administration du Travail (CRAM) s’efforceplutôt de s’adapter à chaque projet et répond à l’analyse spéci-fique des risques qui en est faite pour chacun d’eux, sans inté-grer les compétences particulières des différents agents d’exécu-tion (formation spécifique, expérience..).

Cette divergence d’approche réglementaire s’exprime égalementet fortement pour les ouvrages souterrains à réaliser dans desconditions particulières (géologie difficile, risques de fortesvenues d'eau, présence de gaz…).

En tout état de cause, il y aura lieu de satisfaire notamment – etpour autant qu’il n’y ait pas de contradiction entre elles - à :• une obligation de sécurité en matière de conception, construc-

tion, montage, utilisation et maintenance ;• la législation en vigueur dans le pays où est réalisé l’ouvrage ;• les dernières éditions des normes et codes de construction

homologués ;• les normes et règles syndicales ;• les règles de l’art.

5.2 - Contraintes géologiques et hydrogéologiquesIl convient d’avoir une image la plus fiable possible des condi-tions géologiques et hydrogéologiques qui seront rencontréeslors de l’exécution des puits et galeries inclinées, en vue d’unebonne maîtrise des risques. A tout instant, la stabilité de l’exca-vation de ces ouvrages devra être garantie quelle que soit lanature des formations traversées (meuble ou rocheuse) et onn’insistera jamais assez sur l’importance que peuventavoir les venues d’eau sur les conditions de réalisation. Ace titre, il conviendra de respecter au plus près la règle du Pr.Lugeon, à savoir " pas de fonçage sans traitement préalable dansdes terrains de perméabilité supérieure à 1UL (Unité Lugeon)".

2.2 - Critères de profondeur pour les puitsOn distinguera trois catégories de puits :• Puits superficiels : profondeur < 50 m.• Puits courants : de 50 à 200 m de profondeur. Contrairement

aux puits superficiels, ils requièrent l’obligation de guider lescharges manutentionnées.

• Puits profonds (au sens strict) : au-delà de 200 m. Pour ceux-ci, les temps de circulation dans l’ouvrage imposent desvitesses de levage supérieures à celles normalement admisespour les puits courants (à savoir 0,5 m/s pour le personnel et1 m /s pour le matériel), d’où l’utilisation de matériels spéci-fiques.

3 - CHAMP D’APPLICATION DE LARECOMMANDATION

Les présentes recommandations traitent exclusivement les casdes puits verticaux, sub-verticaux et des puits et galeries inclinésprofonds, à l’exclusion des ouvrages permettant la mise enœuvre des matériels classiques utilisés pour creuser des galeriessub-horizontales.

Le texte de la recommandation exclut les puits superficiels, c’est-à-dire les puits d’une profondeur inférieure à 50 m (selon lasection de l’ouvrage), ne nécessitant pas de guidage des chargessuspendues.

4 - FONCTIONS

4.1 - Fonctions liées aux contraintesd’exploitation d'un ensemble d'ouvragesEn phase d’exploitation, les puits et galeries inclinées peuventêtre amenés à assurer les fonctions suivantes, complètementdépendantes des objectifs fixés préalablement par le maîtred’ouvrage et le maître d’œuvre :• fonction d’accès (ou de conduit permanent) à d’autres

ouvrages souterrains (galeries d'exploitation, de secours, devisite, de maintenance, puits de câbles ...) ;

• fonction aéraulique (puits de ventilation, de désenfumage, dedécompression ...) ;

• fonction hydraulique (conduite forcée, galerie de fuite,cheminée d’équilibre, ouvrage d’exhaure, puits de chute ...) ;

• fonction de secours (puits pour ascenseurs …) ;• fonction de stockage ou de jet de matériaux.

4.2 - Fonctions liées aux contraintesd’exécution de ces ouvragesPendant la phase d’exécution des travaux, les puits peuvent êtreamenés à répondre à certains impératifs de chantier et d’envi-ronnement, tels que :• fonction d’accès de chantier (puits d’attaque ou de sortie d’untunnel, puits d’alimentation en matériaux, marinage desdéblais,...)

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• fonction aéraulique : cette fonction implique une sectionminimale et une qualité particulière des revêtements de finitiondes ouvrages pour garantir le débit d’air requis.

5.5 - Autres contraintesLes contraintes environnementales (risque de mise en commu-nication de différents aquifères,…), d’observation (laboratoirede recherche), ou autres sont à développer par projet et sont àindiquer clairement dans les prescriptions techniques imposéespour la réalisation des ouvrages concernés.

6 - RECONNAISSANCE DU CONTEXTEGÉOLOGIQUE, HYDROGÉOLOGIQUE

ET GÉOTECHNIQUEDès les premières étapes du projet, il est indispensable d’avoirune bonne connaissance du contexte géologique et hydrogéolo-gique dans lequel ce type d’ouvrage devra s’inscrire, car ilinfluera grandement sur sa conception, intimement liée auxméthodes d’exécution envisageables dans les conditions de site,qui impacteront également, directement ou indirectement, lagéométrie de l’ouvrage.

Les reconnaissances de sol permettront de révéler, puis depréciser les caractéristiques des terrains qui seront rencontrés aucours du fonçage. La technique de fonçage devra être choisie entenant compte de leur nature, de leur hétérogénéité, de leurcohésion, de leur résistance et tout particulièrement, de laperméabilité et de la charge des horizons aquifères traversés.

Une méconnaissance ou une sous-estimation des difficultés queprésentera le fonçage peut amener à choisir une méthode d’exé-cution inappropriée qui se révélera trop lente, ou même qu’ilfaudra abandonner pour lui substituer, au prix d’importantssurcoûts financiers, un nouveau procédé capable de surmonterles véritables difficultés identifiées trop tardivement.

Pour un puits vertical ou assimilé, là il est impératif de prévoirun ou plusieurs sondages carottés sur le site projeté, en y asso-ciant tous les essais in situ et de laboratoire indispensables à unebonne caractérisation des formations intéressées par l’ouvrage.Dans le cas d’ouvrages inclinés (puits ou galeries), il pourra êtrenécessaire d’avoir recours à plusieurs sondages pour collectersuffisamment d’informations pertinentes afin de réduire ledomaine d’incertitudes du projet.

En règle générale, on aura tout intérêt à implanter ces sondagesà quelque distance de l’ouvrage et non dans son axe, car il nefaut pas perdre de vue qu’un sondage mal cimenté risque demettre certaines formations aquifères en communication. Deplus, un sondage, même bien cimenté, peut être détruit par lestirs dans une méthode d’excavation à l’explosif.

La définition de ces reconnaissances nécessite l’intervention degéologues et géotechniciens expérimentés.

7 - CONCEPTION DU PROJETNous reviendrons en détail sur les critères de choix du procédéd’exécution de l’ouvrage, qui devra être en mesure de répondreà l’ensemble des contraintes du projet.

Si les contraintes géologiques et hydrogéologiques concernentpour beaucoup la phase d’exécution de l’ouvrage, elles peuventégalement conditionner sa pérennité, sous des aspects tels que :• le rétablissement à plus ou moins long terme de la pression

hydrostatique autour du revêtement ;• le comportement différé de certaines formations (fluage,

gonflement …) ;• la résistance aux effets sismiques ;• le comportement par grand froid (transformation des venues

d’eau en stalactites de glace pouvant mettre en péril le puits)...

5.3 - Contraintes d’exécutionLes principales contraintes auxquelles la méthode d’exécutiondevra être en mesure de répondre sont les suivantes :

• les contraintes de site (montagneux ou urbanisé) et les condi-tions d’accès pour le creusement (par le haut, par le bas ou parles deux extrémités) ;

• la logistique et la gestion de l’espace disponible pour lesinstallations de chantier ;

• le diamètre de l’ouvrage permettant d’intégrer l’ensemble dessujétions d’exécution (espace requis pour l’accès dupersonnel, encombrement des matériels d’excavation, encom-brement du système de ventilation,…) ;

• les moyens d’exécution disponibles (personnel et matériel)pour la réalisation de l’ouvrage, et les risques liés auxméthodes d’exécution ;

• les autorisations de rejet des eaux de chantier ;

• les conditions de mise en décharge des déblais.

5.4 - Contraintes d’exploitationLes contraintes d’exploitation résultent de chacune des fonc-tions que le puits profond doit assurer pendant sa durée deservice. Les principales fonctions, avec leurs contraintes asso-ciées, sont les suivantes :

• fonction d’accès (aux galeries souterraines, aux chambres destockage,…) : il faut pouvoir inscrire les gabarits requis par lescirculations envisagées et les équipements afférents (escalier,ascenseurs,…) dans la géométrie intérieure de l’ouvrage.Suivant le type d’équipement, il y aura lieu également deconcevoir une géométrie permettant la maintenance de cetéquipement. A ces contraintes géométriques s’ajoute unecontrainte mécanique puisque la structure définitive du puitsdevra reprendre les charges provenant de ces équipements. Lafonction " accès " implique fréquemment des contraintesquant au niveau d’étanchéité à assurer. Des contraintes definition de parement peuvent également être requises ;

• fonction de visite : les puits n’ayant pas de fonction d’accèsdoivent cependant être visitables. L’installation de l’appa-reillage de visite peut alors imposer certaines contraintesgéométriques ;

• fonction hydraulique : cette fonction requiert une qualitéparticulière des revêtements de finition des ouvrages, pourlimiter les pertes de charge mais également pour garantir lareprise de pressions intérieures souvent très élevées ;

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l’espace disponible et une optimisation d’implantation des équi-pements (cf. figure 2). Face aux quelques avantages qu’elle peutapporter, cette solution conduit, en effet, à des ouvrages plusfragiles et parfois plus difficiles à réaliser.

7.2 - Nature du revêtement La nature du revêtement est souvent intimement liée à la tech-nique de fonçage retenue ; chacune d’elles offre un éventail plusou moins large des procédés de revêtement envisageables : bétoncoulé en place ou constitué d’éléments préfabriqués, revêtementmétallique, revêtement mixte, etc.

8 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OUINCLINÉS CREUSÉS EN DESCENDANT

8.1 - GénéralitésIl est ici nécessaire d’attirer l’attention sur le fait que le travail decreusement d’un puits est souvent rendu complexe par le faitque, si une galerie constitue un chantier linéaire, on peutquasiment dire qu’un fonçage de puits représente un chantierponctuel. Une autre difficulté est que tous les moyens d'avance-ment doivent rester en permanence suspendus.

8.2 - Creusement de puits verticaux parméthode traditionnelle8.2.1 - PréambuleLes exploitations minières sont à l'origine du développement decette technique. La nécessité d'atteindre des profondeurs de plusen plus grandes avec des diamètres de plus en plus importants afait évoluer la technique vers des moyens de plus en plus sophis-tiqués qui montrent une approche comparable, en terme dematériel, à celle utilisée pour les galeries.

Les diamètres réalisés sont souvent compris entre 3 m et 10 m.Quant à la profondeur, elle se situe généralement dans la plagede 100 à 1 000 m.

8.2.2 - Domaine d’applicationLa technique du fonçage traditionnel n’est envisageable qu’enprésence de faibles venues d’eau (de l'ordre de 5 à 10 m3/h) aprèstraitement éventuel des formations aquifères ; elle s'applique àun large éventail de terrains tendres à très durs. Une méthode

Une fois ce choix opéré, le concepteur devra s’attacher à la défi-nition complète de toutes les caractéristiques de l’ouvrage. Eneffet, le fonçage d’un puits est une opération cyclique qui justifieune étude approfondie de l’organisation du travail et du maté-riel approprié dans ses différentes phases de réalisation, bienavant l’ouverture du chantier. Une fois la méthode et le matérieldéfinis, il est extrêmement lourd – et coûteux - d’en changer.

L’implantation des installations extérieures, la définition et lamise en place du matériel nécessaire pour la mise en œuvre duprocédé d’exécution retenu, sont de première importance pourque les cadences escomptées soient réellement obtenues et quele planning soit respecté.

Il conviendra donc de réserver aux études le temps nécessaire àleur établissement, en insistant notamment sur deux pointsparticulièrement importants :

• les problèmes de sécurité qui devront être soigneusementexaminés notamment en ce qui concerne le matériel, qui devracomporter les équipements appropriés et bien évidemmentréglementaires, et les dispositions à prendre pour faire face àdes aléas particuliers : traversée de formations instables, venuesd’eau, de gaz, etc. ;

• le contrôle de la verticalité ou de l’inclinaison de l’ouvrage quirestera une préoccupation permanente.

Par ailleurs, dès lors que se pose le problème de joindre deuxpoints non alignés verticalement, il conviendra de comparer,avec sérieux, les coûts de réalisation du génie civil (creusement,soutènement, revêtement) d’une galerie inclinée et ceux d'unpuits vertical associé à une galerie pseudo-horizontale ou à unedescenderie permettant encore l’emploi d’un convoyeur à bandepour le marinage des déblais, sous réserve, toutefois, que cesconceptions alternatives répondent également aux autrescontraintes du projet. La réalisation de certains types d’ouvragepeut vite s’avérer anti-économique et, de surcroît, compliquer lasécurité du chantier. En effet, un terrain de bonne tenue enpuits vertical peut présenter certaines difficultés dès lors que lepuits ou la galerie sont inclinés :

• risques d’instabilités du terrain liées à l’effet de la pesanteur ;

• difficultés de mise en œuvre de cintres lourds en soutènement ;

• difficultés de réalisation de traitements de terrain ;

• gêne de chantier accrue par les venues d’eau (ruissellements,points d’exhaure,…).

Par ailleurs, il convient de rappeler que la réalisation de puitsprofonds de plus de 200 à 300 m induit d’importantes diffi-cultés de tous ordres et par conséquent des coûts et délais inhé-rents (directs et indirects).

7.1 - Section droiteGénéralement, et dès que la profondeur du puits dépasse 100 m,c’est la section circulaire qui sera préférée. On y sera d’ailleursinévitablement conduit en cas de terrain difficile, de pressiond’eau importante ou d’utilisation de machines de foration.

Parfois, à titre exceptionnel, il sera tout de même possible deretenir des sections autres que circulaires telles qu’ovales ourectangulaires, permettant une utilisation plus rationnelle de

Figure 2 : Puits d'accès à la grotte de l'Aven d'Orgnac (section en "rectangle elliptique")

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8.2.3.2 - Description de l’unité de fonçage et de soninstallationL'unité de fonçage comprend principalement (cf. figure 4) :• des installations fixes en surface (machine d'extraction,

treuils, chevalement, planchers de travail fixes) ;• des mobiles suspendus à des câbles (plancher de travail, ascen-

seurs, cuffat, grappin,…).

8.2.3.2.1 - La machine d’extraction

Un élément essentiel de l’installation de fonçage est la machined’extraction installée en surface ; elle sert à toutes les manuten-tions de déblais, de matériel et de personnel.

Sa conception doit tenir compte des charges maximales àmanutentionner et des vitesses de circulation des mobiles.Dans la mesure du possible, on recherchera à équilibrer lemieux possible les charges, de sorte que l’énergie nécessaire àl’extraction n’intéresse plus que sa mise en mouvement et laremontée des charges utiles.

8.2.3.2.2 - Les treuils

Un grand nombre de treuils est indispensable à l’installation dechantier :• Treuils de câbles-guides et treuils de plancher : selon le

diamètre et au-delà de 50 m de profondeur, les cuffats et le

" simple " pour déterminer les venues d’eau " acceptables "consiste à calculer à quelle vitesse remonterait le niveau de l’eaudans le puits en l’absence de pompage.

En présence de conditions hydrogéologiques défavorables(venues d’eau trop importantes), ce procédé de creusement doitêtre associé à un traitement préalable des terrains (par injectionou congélation). Il est clair que ce point représente l'aléamajeur de cette technique, particulièrement dans les terrainsgranulaires (risques de " débourrage ").

En cas de grande profondeur, les problèmes principaux sont liésà l'organisation de l'extraction des déblais (poids du câble etcapacité de la benne, durée souhaitée pour le cycle,…), del'exhaure, des conditions de travail (température, ventilation,phénomènes de condensation, ...) et à une productivité mini-male requise, notamment pour ce qui concerne la vitesse desmobiles (bennes à matériaux, encore appelées “ cuffats ”, cageou cabine à personnel).

8.2.3 - Description du procédé d’exécution

8.2.3.1 - Généralités

Le cycle de fonçage d’un puits exécuté par méthode tradition-nelle en terrain rocheux est le suivant :

" Tir – Marinage des déblais – Purge – Soutènement provisoire– Revêtement définitif ".

Comme pour une galerie horizontale, ce cycle élémentairepeut, si nécessaire, être complété par des opérations préalablesd’étanchement ou de consolidation des terrains à traverser.

Pour répondre à la fois aux objectifs de sécurité, de guidage desmobiles circulant dans le puits, et d’abattage et de marinage desdéblais, le procédé nécessite la mise en œuvre d’un plancher(ou plateforme) de travail et de protection à plusieurs étages(figure 3). Toutes les opérations de creusement, marinage,soutènement et revêtement sont conduites à partir de cet appa-reillage mobile, qui progresse en même temps que l'avance-ment du puits ; la conception de cet outil, qui est préfabriqué àl'extérieur, doit donc faire l'objet d'une étude minutieuse.

Le cycle de fonçage généralement adopté est le suivant :• abattage des terrains ;• chargement et évacuation des déblais ;• pose du soutènement.

Dans les bons terrains, le fonçage procède généralement par desphases de creusement d’une dizaine à une vingtaine de mètres,suivies de la mise en place du revêtement par coffrage et béton-nage. C’est ce que l’on appelle la “ méthode alternée ”.

Autrefois et pour des puits très profonds, le creusement et lerevêtement ont pu être réalisés en même temps (puits duFréjus, puits n°1 de Sedrun) sous forme de deux chantiersséparés, l’un au-dessus de l’autre ; c’est, par opposition, ce quel’on appelait la “ méthode simultanée ”, qui admettait letravail avec postes superposés : l’atelier de revêtement suivant àune trentaine de mètres l’atelier de creusement. Elle permettaitun gain significatif en délais mais serait, aujourd’hui, difficile àmettre en œuvre vis-à-vis du respect des conditions de sécurité.

Figure 3 : Méthode de fonçage en puits avec pose progressive du revêtementdéfinitif à partir d'un plancher de travail

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Puits profonds et galeries inclinées

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On attirera l’attention du concepteur sur l’absolue nécessité demaîtriser l’équilibrage de la tension des câbles, qui devient déli-cate dès que l’on dépasse deux points de suspension.

8.2.3.2.4 - Les planchers de travail

Les planchers de travail comprennent deux ensembles :

• un plancher mobile (dit de sécurité), sorte d'ascenseur àplusieurs étages, suspendu par des câbles à des treuils installés ensurface (cf. figure 5). Les objectifs de ce plancher sont multiples :- assurer la protection du personnel en puits contre les éven-

tuelles chutes d’objet ;- permettre le guidage des mobiles par ses câbles de suspension ;- supporter le matériel nécessaire au creusement (centrale

hydraulique, matériel de marinage suspendu ou “ grappin ”,relais de pompage, albraque) ;

- réaliser la pose du revêtement au-dessus du front (soutien etmanœuvre du coffrage, bétonnage, injection) ;

- permettre l’équipement du puits une fois revêtu (tuyauteries,gaines d’aérage ...) .

plancher de travail sont toujours guidés par un curseurpouvant coulisser à la fois sur des câbles-guides et sur le câbled’extraction. Ces treuils sont généralement lents (0,1 à 0,2 m/s)mais de forte puissance au crochet ;

• Treuil d’extraction et treuil personnel : Ces treuils sont lescordons essentiels qui permettent la réalisation de l’ouvrage.Ce sont des matériels spécifiques et très élaborés pour assurerune sécurité totale des circulations ; ils peuvent atteindre despuissances importantes (1200 kW pour la machine d’extrac-tion du puits Y à Gardanne) ;

• Treuils de manutention : au moment des tirs, un certainnombre d’équipements doivent être retirés du voisinage dufond pour les protéger. Ces équipements sont généralementsuspendus à des treuils dont le nombre peut être important(treuil pour ventilation, treuil pour tuyauterie air comprimé eteau, treuil de pompe, treuil d’éclairage, treuil de ligne de tir,treuil de descente de ferraillage,…) ;

• Treuils de secours : en cas de panne électrique, ces treuils,alimentés par groupe électrogène, sont destinés notamment àremonter le personnel.

8.2.3.2.3 - Les câbles de manutention

Il convient d’insister sur le fait que, pour des puits de grandeprofondeur, le poids du câble entre pour une bonne part dans lacharge suspendue.

Pour limiter la section de ces câbles qui pénalise le diamètred’enroulement des treuils, il est possible soit de multiplier lenombre de câbles de suspension, soit de moufler les câbles, voirede combiner ces deux solutions.

Figure 4 : Coupe d'une unité de fonçage avec les installations de surface etle plancher de travail mobile

Figure 5 : Vue d'un plancher de travail passant à l'intersection d'un puits avec une galerie horizontale

Ce plancher de travail comprend plusieurs étages (jusqu'à 5),chacun dédié à des tâches spécifiques, pour effectuer les diffé-rentes opérations de creusement, revêtement et équipement, cequi conduit, bien évidemment, à des problèmes complexes,inhérents à la suspension d'un équipage aussi lourd ;

• un plancher fixe de surface, constitué d’une structure métal-lique fixe et de plusieurs niveaux ; il est percé de trous obturéspar des trappes mobiles (passage des câbles, du cuffat,…) nes’ouvrant qu’au passage des bennes à matériaux ou cages àpersonnel. Son rôle est d’obturer en permanence l’orifice du

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Ensuite, l’installation de l’unité de fonçage est poursuivie par lamise en œuvre du dispositif de recette et de culbutage desbennes qui servent à la remontée des déblais, et par le montagedes divers treuils et du système de marinage par grappin oupelle installée sous le plancher de travail ou du système de fora-tion (glissière et marteaux électro-hydrauliques).

L’avant-puits est généralement réalisé dans les formations decouverture, souvent meubles et aquifères, où il faut prendretoutes les mesures nécessaires pour maîtriser les venues d’eau etassurer la tenue des terrains.

Les techniques d’étanchement, voire de soutènement ou depré-soutènement, les plus généralement adoptées pour la réali-sation de ces avant-puits sont :• le havage ;• les parois moulées ;• les injections ;• le jet-grouting ;• la congélation.

8.2.3.2.7 - Les techniques d’étanchement et de consolida-tion pour le creusement du puits

Nous ne reviendrons pas ici sur le détail de ces techniques nisur leurs domaines d’application, en invitant le lecteur à sedocumenter plus avant, mais plutôt à attirer son attention surcertaines spécificités et retours d’expérience de pré-soutène-ments et d’étanchements en puits réalisés par injection oucongélation.

a) Injections

On se réfèrera aux recommandations du GT8 de l'AFTES (cf.revue TOS, n° 194, mars-avril 2006).

Dans le cas de terrains injectables, plusieurs techniques de trai-tement peuvent être envisagées selon la nature et la profondeurdes horizons à traiter :

puits, pour assurer la sécurité du personnel qui se trouve dans lepuits lorsqu’on est amené à procéder à des manutentions à laverticale de l’ouvrage, mais également pour permettre la pose etla reprise de charges lors d’une montée ou d’une descente decelles-ci en puits. Une attention particulière sera portée audispositif d’évacuation des eaux météoriques vers l’extérieur dela plateforme.

8.2.3.2.5 - Le chevalement

L'ensemble du plancher de travail est associé à un chevalementimplanté en tête et dans l’axe du puits (cf. figure 6).

Il est destiné à recevoir le châssis à poulies (ou molettes)permettant de ramener tous les câbles à la verticale du puits.

Le chevalement est constitué d’une charpente métalliquelourde reposant sur des fondations capables d’équilibrer lescharges mises en jeu, y compris dynamiques. De plus, pourgarantir une circulation aisée aux abords immédiats du puits etune meilleure stabilité, la conception de ces chevalementsconduit à retenir des appuis suffisamment écartés de l’ouvrage,avec une implantation des treuils encore plus au large.

Cette structure est généralement recouverte d’un bardage pourabriter des intempéries l’activité de chantier dans le puits.

Parfois, ce système de chevalement peut être remplacé, selonl’organisation de chantier envisagée, par un portique defonçage installé également en tête de puits mais permettant deplus un dégagement de l’axe du puits par translation.

8.2.3.2.6 - L’installation de l’unité de fonçage

Au démarrage du chantier et avant construction du chevale-ment, il est nécessaire de creuser, par des moyens de génie civilclassiques, un avant-puits d’une profondeur voisine de 30 à 40mètres (voire des profondeurs plus importantes, telles qu’àSedrun), de manière à pouvoir installer le plancher de travail ;celui-ci sera ensuite manutentionné par un certain nombre detreuils à partir du chevalement de fonçage.

Figure 6 - Installations de surface pour le creusement d’un puits

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• Traitement par passes successives (cf. figure 9) : cette tech-nique est généralement retenue lorsque la longueur de puits àfoncer sous la protection de l’injection est trop grande et quel’on choisit d’alterner les phases de traitement de terrain etd’exécution du fonçage proprement dit ; cette technique estgénéralement réalisée par tronçons de longueur réduite avecfaible divergence des forages de traitement, de telle sorte qu’ilne soit pas nécessaire de prévoir une chambre d'injection ensurexcavation. Ce traitement est souvent complété par laréalisation d’un bouchon en fond de passe.

• Traitement systématique depuis la surface (cf. figure 7) :cette technique est applicable lorsque les couches aquifères oumeubles se situent en tête de l’ouvrage ; dans ce cas, on exécuteà l’emplacement du puits à creuser, à partir de la surface et surun périmètre supérieur à celui de l’ouvrage, des forages verti-caux (répartis sur une ou plusieurs couronnes) dont ilconviendra de contrôler de près la verticalité pour éviter toutrisque de lacune de traitement du terrain. Ce traitement devrapénétrer dans la formation sous-jacente " imperméable ". Selonla nature du terrain, l'injection peut être effectuée soit sous unobturateur (par tranches montantes ou descendantes), soit plusgénéralement après équipement des forages par des tubes àmanchettes ;

• Traitement systématique en profondeur : si le puits recoupe

en profondeur une formation aquifère nécessitant un traite-ment sur une faible épaisseur (< 10-20 m), on peut aménagerautour du puits un espace annulaire à partir duquel il serapossible de procéder au traitement (cf. figure 8). Comptetenu de la profondeur, on sera généralement amené àmaîtriser la charge de la nappe dont le niveau piézométriquese situera souvent au-dessus de la plate-forme de traitement(scellement en tête de forage dans un terrain sus-jacent dequalité suffisante, travail en contre-pression…) ;

Figure 7 : Traitement de terrain par injection de surface

Figure 8 : Traitement préalable d'une formation aquifère à partir d'une chambre d'injection aménagée en profondeur

Figure 9 : Injection en fond de puits par passes successives

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puits de Holle au Congo congelé sur 290 m de profondeur)avant de pouvoir commencer le fonçage du puits.

8.2.3.3 - Techniques d’abattage des terrainsLes techniques de creusement employées sont fonction descaractéristiques des terrains traversés :

• l’abattage à la pelle ou au brise-roche

Il convient de noter que cette technique, réservée aux terrainstendres et stables, est d'autant plus intéressante qu'elle est asso-ciée à un avant-trou débouchant, permettant le dégagement desproduits abattus par le bas.

• l’abattage à l’explosif

Dans le cas des creusements à l’explosif, on a recours de plus enplus à des Jumbos, spécifiquement conçus pour réaliser les fora-tions en puits. Ces matériels sont souvent repliables pourpouvoir passer au travers des trappes du plancher, lorsqu’ilssont remontés entre deux volées (cf. figure 10). CertainsJumbos sont également conçus pour réaliser également la fora-tion des boulons de soutènement des parements du puits (cf.figure 11).

En général, la volée de tir est de l’ordre de 2 à 3 m et frac-tionnée, d'une part, avec de nombreux retards pour obtenir unbon "rendement" du tir et, d'autre part, avec des charges limi-tées en périphérie, de manière à limiter les hors-profils enparois du puits.

Il convient de rappeler qu’un fond de puits n’est pratiquementjamais sec et qu’il est donc difficile d’assécher les trous demines. La gamme d’explosifs à retenir doit impérativementtenir compte de cette contrainte, d’autant que certains d’entreeux sont peu sensibles à l’eau et provoquent, lors du tir, moinsde fumée que d’autres ; cet avantage peut être déterminantpour la phase de ventilation qui suit le tir.

b) Congélation Cette technique est principalement utilisée pour étancher desterrains de surface, jusqu'à une profondeur qui ne dépasse pas600 m, du fait de la nécessité de maîtriser le parallélisme desforages de congélation. Sous réserve d'être mise en œuvre pardes spécialistes compétents, elle est très efficace pour étancherles terrains.

Cependant, quelle que soit la technique de congélation envisagée(saumure ou azote), ce procédé peut présenter un certain nombrede risques qu’il convient de connaître pour mieux les maîtriser :

• Risque de déviation des forages pour tubes congélateurs ;compte tenu de leur espacement (de l’ordre de 1 m à 1,50 m),il est essentiel de réduire à leur minimum ces déviations et deles mesurer de façon précise pendant le forage. Il est générale-ment intéressant d’adapter les paramètres de foration et dechoisir les outils adéquats lors d’un premier forage d’essai ;

• Risque de mise en traction des congélateurs sur l’épaisseurd’une couche d’argile qui a tendance à gonfler lorsqu’elle estgelée ; un graissage des tubes de congélation leur permettra deglisser plus facilement ; leurs joints devront également être lesplus lisses possibles pour pouvoir coulisser le plus librementdans les terrains congelés, voire soudés ;

• Risque de non-fermeture de la paroi congelée (conducti-vité du terrain plus faible, nappe à circulation rapide, teneuren sel plus élevée, …). Pour éliminer ce risque, il est essentielde réaliser, au centre du futur puits, un forage équipé d’untube crépiné. Il permettra de s’assurer de la parfaite étanchéitéde l’enceinte (ou mur) de glace (le niveau d’eau à l’intérieurde l’enceinte étanche doit monter au fur et à mesure que lemur de glace continue à s’engraisser vers l’intérieur du puits) ;

• Risque de mise en flexion et en cisaillement des tubes decongélation par convergence des terrains vers l’excavationlors du fonçage et avant pose du soutènement ; un graissagedes tubes associé à une implantation de ces tubes suffisam-ment à l’écart de la périphérie de l’excavation contribueront àréduire ce risque ;

• Risque d’endommagement de tubes congélateurs sousl’effet des tirs à l’explosif ; pour limiter ce risque majeur, uneanalyse de vibration devra être effectuée pour s’assurer que lavitesse maximale de vibration du terrain au droit des tubes decongélation est compatible avec leur résistance, ce quiconduira à une limitation des quantités d’explosif par retard ;

• Risque de ratage de tir de certaines charges, en cas d’abat-tage à l’explosif, du fait de la température des terrains ;

• Risque de décongélation en paroi, sous l’action de la venti-lation.

Par ailleurs, il conviendra d’utiliser, pour les tubes de congéla-tion, des aciers à haute résilience à basse température, avec desjoints à haute étanchéité, sans quoi la congélation ne pourraitêtre atteinte.

Le délai de congélation d’un mur de glace dépendra de l’im-plantation géographique de ce puits ; ainsi, un procédé decongélation à la saumure dans un pays chaud pourra conduire àdes délais parfois très longs (par exemple, 5 à 6 mois pour le

Figure 10 : Jumbo parapluieà marteaux air comprimé

Figure 11 : Jumbo électro-hydraulique(Laboratoire de recherche souterrain de

Meuse / Haute-Marne – Andra)

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Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 105

8.2.3.4 - Techniques de marinage

8.2.3.4.1 - Chargement des déblaisPlusieurs matériels de chargement des déblais sont courammentutilisés :

• Grappin de l'ordre de 0,5 à 1 m3 mû pneumatiquement ouhydrauliquement (cf. figure 12a) ; il peut être constitué d’unbras rotatif fixé à la partie inférieure du plancher de travail (cf.figure 12b) ou bien être fixé au parement par l’intermédiaired’une grue suspendue depuis le jour (cf. figure 12c).

• Pelle-rétro hydro-pneumatique suspendue sous le plancher detravail et capable de débattre toute la section à creuser du puitsou, comme pour le grappin, être fixée au parement du puits(cf. figure 13).

Une autre contrainte majeure réside dans le fait que le front detaille, contrairement au cas des galeries sub-horizontales, est entiè-rement recouvert par les déblais après le tir, ce qui nécessite d’êtresûr de la qualité des tirs réalisés. En particulier, il faut s’assurer,avant toute nouvelle foration qu’il ne reste pas des cartouches nonexplosées dans des culots du tir précédent ; une reprise de forationdans ces culots pourrait provoquer un accident majeur.

Une analyse fine des conditions de terrain est indispensablepour s’assurer que les trous de foration de mine seront suffisam-ment stables jusqu’à leur chargement (comportement particu-lier de certains terrains sous congélation, notamment lors de laprogression du mur de glace à l’intérieur du gabarit de creuse-ment du puits au fur et à mesure de l’approfondissement, ferme-ture partielle des trous à forte profondeur,…).

• l’abattage à la machine à attaque ponctuelle

Des machines à attaque ponctuelle ont étéégalement utilisées dans certains cas particu-liers pour l’abattage de terrains tendresmalgré les problèmes liés à l'émission depoussières et à l'évacuation des déblais.Cette technique d’abattage est encore plusintéressante quand elle peut êtrecomplétée par une évacuation en continudes déblais (convoyeur à bande vertical),sous réserve d’un comportement adéquatdes déblais lors du marinage (risque decollage).

Tolérances d’exécutionEn ce qui concerne la verticalitédu puits, celle-ci est parfaite-ment maîtrisée parcorrection àl'avancement.

Figure 12 : Grappin, en puits avec amorce recette

ab c

Figure 13 : Stockage de propane de Lavera - Puits d’accès – Chargement des déblais à la pelle-rétro

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à des soutènements beaucoup plus légers que ceux creusés " endirection ".

Ainsi les soutènements varieront généralement, depuis desterrains rocheux sains jusqu’à des terrains très diaclasés ou destraversées d’accidents géologiques, selon la gamme suivante :

• un soutènement minimum par grillage à petite maille ancré ;

• un simple épinglage par boulons (à expansion ou scellés à larésine) de longueur limitée (< 2 m) associé à un grillage àpetite maille, seulement destiné à éviter le détachement deblocs de petite taille ; dans le cas d’emploi d’explosifs, laprofondeur d’ancrage de ces boulons devra atteindre une zonenon affectée par les tirs ;

• une mince couche de béton projeté dans les terrains suscepti-bles de se déliter au contact de l’air ;

• une couche de 10 à 20 cm de béton projeté armé, avec unboulonnage long (L>R) et dense (jusqu’à 1 boulon/m2), surtoute la périphérie du parement ;

• un soutènement résistant (cintres lourds, cadres,…) capablede s’opposer aux poussées du terrain encaissant (terrains trèsdiaclasés, accidents géologiques, terrains à comportementvisco-plastique).

Dans ce dernier cas, la mise en œuvre de profilés métalliquess’accompagne d’un certain nombre de sujétions liées pour l’es-sentiel à la pesanteur, qui peuvent être surmontées par la mise enplace de suspentes accrochées sur chacun des cintres ou cadres.

On gardera également à l’esprit que dans des terrains présen-tant des caractéristiques géomécaniques faibles, une compo-sante verticale de poussée peut affecter le soutènement, et, de cefait, les suspentes de cintres et cadres devront être largementdimensionnées pour vaincre ces efforts supplémentaires.

Ces différents types de soutènement pourront être éventuelle-ment combinés entre eux (ex : grillage + béton projeté).

8.2.3.6 - Revêtement définitif

Les puits de grand diamètre et de grande profondeur sont géné-ralement pourvus d’un revêtement définitif dont les fonctionspeuvent être multiples :

• soutènement définitif (blocage des convergences en terrain àcomportement visqueux) en particulier à long terme ;

• étanchéité (cuvelage) ; à noter qu'un puits étanche peut être(ou non) drainant à l'extrados si l'on veut limiter la pressionhydrostatique que doit encaisser le revêtement ;

• support de fixation des équipements d’exploitation du puits(échelles, chemins de câbles, tuyauteries, éclairage,…) ;

• limitation des pertes de charges hydrauliques ou aérauliques.

8.2.3.6.1 - Revêtement en béton coulé en place

Généralement le revêtement est coulé par anneaux successifs del'ordre de 3 à 5 mètres de hauteur. Les coffrages doivent êtreconçus pour passer au travers des trappes des différents plan-chers. Toutefois, on recourt parfois à l’utilisation de coffragesglissants particulièrement bien adaptés aux grandes hauteurs.

8.2.3.4.2 - Evacuation des déblais

Les déblais sont évacués, dans la majorité des cas, dans desbennes ou “ cuffats ” de 1 à plusieurs mètres cubes de capacité.Ces bennes sont remontées par des treuils pouvant atteindredes puissances > 1MN. Les vitesses de remontée peuvent varierde 1 à 10 m/s.

Les opérations de vidange des bennes se font au niveau duchevalement (cf. figure 14) - ce qui nécessite l’obturation parun plancher de surface - ou par transbordement du cuffat.

On notera que les cadences de marinage des déblais, pour lespuits profonds, ne sont pas inversement proportionnelles à laprofondeur du puits, du fait de la hauteur de montée à pleinevitesse du cuffat qui compense largement les temps fixes desautres tâches (accrochage du cuffat, montée à vitesse réduite autravers du plancher mobile de sécurité, mise en vitesse maxi-male, ralentissement en tête de puits, sortie et culbutage ducuffat et nettoyage du fond en fin de cycle).

Souvent, un cuffat " montant " est associé à un cuffat " descendant",d’une part, pour réduire la charge à remonter par la machined’extraction et, d’autre part, pour accélérer le cycle de marinage.

8.2.3.5 - Soutènement provisoireD’une façon générale, les puits posent moins de problèmes destabilité et, donc, nécessitent moins de soutènement que lesgaleries sub-horizontales. Toutefois, il sera nécessaire de poserun soutènement provisoire pour assurer la sécurité dupersonnel ou pour stabiliser les contours de l’excavation. Onrappellera que des puits creusés " en travers-bancs " conduisent

CurseurArrêt des Curseurs etdéversement desCuffatsMousqueton

Trémie de culbutage

Trappe inclinée

Figure 14 : Vidange du cuffat par culbutage

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Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 107

bétonnage par passes courtes très près du front. Dans ce cas, lecoffrage, soumis aux effets des tirs d’abattage à l’explosif, devraêtre particulièrement robuste. Il doit être équipé d’un masqued’about et de boîtes de coulées pour le béton. On conçoit quecette technique de revêtement soit réservée à des conditionsexceptionnelles car l’aspect et l’étanchéité du revêtement défi-nitif livré risquent de ne pas répondre aux objectifs de qualitérequis pour l’ouvrage fini.

8.2.3.6.2 - Revêtement en voussoirs préfabriqués

Les voussoirs sont le plus souvent réalisés en béton armé ouencore en fonte ductile, nervurés ou pleins. Bien souvent cematériau est réservé au traitement de points singuliers (parexemple : création ultérieure d’une amorce de galerie).

Avant de retenir ce type de conception par voussoirs, il y auralieu de considérer l’ensemble des contraintes du projet, notam-ment en cas de destination de l’ouvrage à des fonctions deconduits hydrauliques ou aérauliques où chaque joint entreanneau, voire entre voussoirs d’un même anneau, peut créer despertes de charge. Il est clair que pour une telle fonction, l’emploide voussoirs nervurés est parfaitement proscrit, à moins qu’undeuxième revêtement intérieur en béton soit prévu in fine.

Ils sont généralement mis en place de haut en bas, chaque anneaus’accrochant sur le précédent à l’aide de boulons (cf. figure 16).

La pose de ces voussoirs est assurée à l’aide d’un treuil posi-tionné sous le plancher de travail.

Une fois un masque réalisé sur l’anneau le plus bas, l’injectionde bourrage au terrain peut être réalisée, plus ou moins différéedans le temps selon les conditions géologiques rencontrées.

Une autre technique de pose de ces voussoirs, égalementemployée en fonction du comportement du terrain traversé,consiste à réaliser à intervalles réguliers (compris entre unedizaine et quelques dizaines de mètres environ) des troussesbétonnées en place sur lesquelles les anneaux de voussoirs serontensuite posés de bas en haut.

Le béton est confectionné à l’extérieur du puits et descendu :• dans des cuffats spéciaux ;• au travers de tuyauteries épaisses de diamètre suffisant (de

l’ordre de 150 à 200 mm) dans lesquelles le béton se trouvepratiquement en chute libre ; pour éviter des problèmes deségrégation, il doit être prévu à la base de la tuyauterie undispositif particulier destiné à dissiper l’énergie et à permettreau béton de retrouver son homogénéité (remalaxage en piedd’ouvrage).

La mise en œuvre du béton derrière le coffrage est réalisée àl’aide de goulottes (voire à la pompe ou au johnny) prévues àdemeure sur le plancher mobile.

La composition du béton devra être adaptée au mode d’approvi-sionnement mais également aux épaisseurs de revêtementrequises qui, à grande profondeur, peuvent devenir importanteslorsque l’ouvrage est conçu pour résister aux pressions hydrosta-tiques des horizons aquifères.

En l’absence de contraintes d’exploitation particulières, ilpourra être intéressant d’optimiser l’épaisseur du revêtementselon que l’on se trouve dans des horizons aquifères (impossiblesà drainer) ou, au contraire, dans des horizons à faible perméabi-lité où le puits peut être légèrement drainant ; dans ce derniercas, il sera nécessaire d’exécuter, au-dessus des horizons drainés,une " trousse étanche " (pouvant être traitée par injections parexemple), destinée à éviter les circulations d’eau à l’extrados et lamise en pression du revêtement sous-jacent (cf. figure 15).

Lorsque la conception du revêtement retenu le permet, il peutêtre nécessaire, en présence de mauvais terrains, de réaliser le

Figure 15 : Trousse étanche à la base du cuvelage d'un puits foncé en congélation

Figure 16 : Principe de pose de haut en bas du revêtement en voussoirs

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8.2.3.8 - Transport de l’énergie électrique Comme en tunnel, le transport de l’énergie électrique est confrontéaux conditions d’humidité de l’ouvrage en phase de réalisation.

Ainsi, la conception et la mise en œuvre de l’installation et dumatériel associé devront respecter les normes en vigueur (mise àla terre,…) et garantir une redondance du dispositif en cas depanne (installation de secours sur groupe électrogène,…).

Une attention particulière devra être portée à la conception del’éclairage, mais également au dispositif de signalisation et detransmission des informations entre le fond de puits et la surface(existence d’un code de signaux à respecter impérativement).

8.2.3.9 - Ventilation La ventilation peut avoir à répondre à plusieurs objectifs, tels que :• ventilation sanitaire ;• évacuation des fumées de tir à l’explosif ;• évacuation de dégagements gazeux inhérents à certains hori-

zons géologiques traversés ;• refroidissement de l’atmosphère en terrains " chauds " (hori-

zons salins, gradient géothermique élevé,…) ;• réchauffage de l’atmosphère, notamment en présence de

terrains préalablement congelés.

La conception de la ventilation (aspirante, soufflante, réver-sible) devra prendre en compte les spécificités du site et desprocédés d’exécution retenus pour le fonçage, ainsi que lesimplications que pourrait avoir une panne sur les conditions aufront. Elle devra être en conformité avec la réglementation et lalégislation du travail en vigueur.

Par ailleurs, toutes dispositions devront être prises pour identi-fier l’invasion soudaine de l’ouvrage par du gaz, et pour déclen-cher les mesures de sauvegarde et d’évacuation du personnelappropriées.

Cette conception devra être abordée suffisamment tôt dans leprojet, de manière à anticiper l’encombrement de ces équipe-ments (canars, gaines souples, ou autres éléments rétractablesau moment des tirs à l’explosif ), afin de ne pas sous-estimer lasection de l’ouvrage à réaliser.

8.2.4 - RéférencesLe tableau 1, en annexe, fournit les principales références depuits réalisés dans les mines de charbon d’Allemagne de 1950 à1990 et donne une bonne idée de l’utilisation de la méthode dufonçage traditionnel.

On peut noter également les deux puits de Gorleben réalisésplus récemment pour le projet de stockage de déchetsnucléaires en Allemagne et qui ont des profondeurs respectivesde 950 et 870 m pour un diamètre fini de 7,5 m.

En France, on peut citer quelques références significatives :

8.2.3.6.3 - Revêtement avec blindage par viroles métalliquesDans le cas de puits de conduite forcée sur les aménagementshydro-électriques, et compte tenu des hauteurs de retenued’eau des barrages, il est souvent indispensable, pour résisteraux pressions intérieures et garantir une parfaite étanchéité, deprévoir un blindage par viroles métalliques en acier.

Plusieurs conceptions de ce genre de revêtement peuvent êtreenvisagées, en fonction des contraintes d’exploitation et d’en-vironnement spécifiques du site :

• Disposition directement en revêtement intérieur de puits,associé à un remplissage en béton du vide annulaire entre sonextrados et l’intrados du soutènement ;

• Disposition en extrados de revêtement définitif ; il joue alorsun rôle de corset métallique étanche associé à un cuvelage debéton intérieur. Ce corset est souvent mis au contact dusoutènement initial par un " joint d’asphalte " permettant, infine, au revêtement définitif de glisser à l’intérieur du soutè-nement et, par conséquent, d’être moins sensible aux tasse-ments du massif encaissant (par exemple, en cas de risque detassements miniers ou de déformation de terrains préalable-ment congelés,…).

On rappellera également que le soudage de ce type de blindageimpose un environnement quasiment exempt de toute venue d’eau.

8.2.3.7 - ExhaureOn n’insistera jamais assez sur le fait que les venues d’eau repré-sentent le principal ennemi du mineur et plus spécifiquementlors d’un fonçage de puits ; elles conduisent inéluctablement àdes baisses de cadences, voire dans certains cas mal maîtrisés, àl’abandon du fonçage par suite du " noyage " du puits.

Il est essentiel, pendant la phase de conception du projet, decollecter le maximum d’informations concernant la perméabi-lité des horizons traversés par l’ouvrage et d’identifier, avec laplus grande fiabilité possible, l’étendue et la charge des hori-zons aquifères.

Dans tous les cas, il y aura lieu de faire une analyse de risquesidentifiant clairement les dispositions et procédures qui serontmises en œuvre pour réduire ces risques (traitement de terrain àl’avancement, sondages de reconnaissance à l’avancement,…).

Jusqu’à des venues d’eau de l’ordre de 1 à 5 m3/h, l’eau d’infil-tration du massif pourra être évacuée en même temps que lemarinage dans les cuffats, à l’aide de pompes portatives dispo-sées en fond de puits. Au-delà, il sera nécessaire d’avoir recoursà des systèmes de pompage, parfois complexes, refoulantjusqu’en surface, soit directement, soit par paliers successifs.

Les systèmes de pompage devront être adaptés à la nature deseaux d’exhaure souvent chargées et aux variations de venuesd’eau.

AnnéePuits d’aération du tunnel du Fréjus (73) : D = 8,4 m H = 726 m 1977-1980Puits Yvon Morandat aux Houillères de Gardanne (13) : D = 11 m H = 1109 m 1981-83Puits Z aux Houillères de Gardanne (13) : D = 7,5 m H = 879 m 1982-83Puits de La Houve (57) aux Houillères de Lorraine : D = 7,5 à 8,5 m H = 522 m 1987-89Puits de stockage de propane de Sennecey-le-Grand (71) : D = 3 m H = 170 m 1994-1995Puits de stockage de propane de Lavera (13) : D = 6,5 m H = 172 m 1996-1997Puits Ascenseur Aven d’Orgnac (07) S = 20 m2 H = 125 m 1999Puits du laboratoire de l’Andra à Bure (55) : D = 4 et 5 m H = 510 m 2001-2004

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Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 109

Pour des puits très profonds, cette garniture peut être munied'un moteur autonome qui prend appui par des patins sur lesparois du forage ; elle n'est reliée à la surface que par des câbleset des circuits hydrauliques, ce qui l'assimile à un tunneliervertical à pression de boue.

Ainsi, le matériel de surface est généralement constitué deséléments suivants :• un mât de forage supportant le mouflage dans l’axe du puits ;• un treuil permettant la manutention du train de tiges par l’in-

termédiaire du mouflage ;• une table de rotation fixée sur la sous-structure du mât ;• des compresseurs ;• une station de traitement de boue, si nécessaire.

Le matériel de fond (ou garniture de forage) est constitué, de basen haut, par :

• un assemblage de fond comprenant un outil de forage équipéde molettes à dents en acier, à picots de carbure de tungstèneou à disques, percé d’un trou central, des masses de chargeenfilées sur un élément tubulaire ou boulonnées les unes surles autres, des stabilisateurs incorporés entre les masses decharge pour garantir une stabilisation correcte de l’assemblagede fond (cf. figure 18) ;

• des tiges creuses vissées les unes sur les autres ou assembléespar brides boulonnées ;

8.3 - Forage vertical en grand diamètre

8.3.1 - PréambuleLe principe de base de cette technique, encore connue sous ladénomination “ big hole ” ou “ shaft drilling ”, est le foragerotary qui, depuis environ une centaine d'années, a été utilisépour forer des puits de plus en plus gros, de plus en plusprofonds et dans des roches de plus en plus dures.

Avec cette technique, les diamètres forés sont généralementcompris entre 2 et 4 m. Toutefois, ce diamètre peut êtreaugmenté (par exemple, jusqu'à 7,60 m pour le puits Béatrixaux Pays-Bas) en ayant recours à plusieurs passes de forage.

Quant à la profondeur, elle a pu atteindre par le passé jusqu’à1700 m dans le cadre de quelques projets. L'applicationcourante reste toutefois dans la gamme de profondeur compriseentre 100 et 400 mètres.

8.3.2 - Domaine d’applicationDans la gamme de diamètre évoquée précédemment, cette tech-nique de réalisation de puits est adaptée à des catégories deterrains très variées, allant de ceux potentiellement instables etaquifères (qui ne pourraient être franchis qu'après congélation surde grandes hauteurs) jusqu'à des roches très dures (Rc de l’ordrede 200 MPa). Elle est utilisée seulement en puits verticaux.

Par contre, elle nécessite une maîtrise parfaite des risques depertes du fluide de foration. L'attention du concepteur doit êtreattirée notamment lorsque le puits doit traverser des terrainsprésentant des perméabilités trop importantes ou des karsts parexemple (mise à disposition de réserves de boue suffisantes pourpallier ces aléas).

L’importance des installations de chantier nécessaires à la miseen œuvre de cette technique, de même que la consommationd’énergie qui en résulte, sont des sujétions importantes dans ledéveloppement de cette technique.

8.3.3 - Description du procédé d’exécution

8.3.3.1 - Réalisation d'un avant-puitsPour assurer le démarrage d'un forage en grand diamètre, deuxméthodes peuvent être mises en œuvre :

• utilisation d’une virole placée dans la sous-structure de l’appa-reil de forage ; elle constitue l’avant-puits ;

• creusement, par des moyens conventionnels, d’un avant-puitsde quelques mètres de profondeur, d’un diamètre légèrementsupérieur à celui du puits à forer.

Dans les deux cas, l'avant-puits doit être étanché pour permettrede démarrer la foration proprement dite avec le fluide de forageen charge par rapport au terrain.

8.3.3.2 - Description du matériel de forationLa foration se fait par l'intermédiaire d'une garniture de forage

terminée par un assemblage de fond équipé d’un outil de foragespécial, dont le diamètre est égal au diamètre recherché avantpose du cuvelage. Cette garniture est entraînée en rotationdepuis la surface par une machine de forage équipée d'une tablede rotation (cf. figure 17).

Figure 17 : Principe de la technique du forage de grand diamètre

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et le diamètre de foration. A Sennecey-le-Grand, les vitessesd’avancement étaient de l’ordre de 0,30 m/h dans des terrainsde dureté moyenne.

Tolérances d’exécutionLa verticalité du puits est généralement assurée avec une préci-sion de l'ordre de 0,5 %. Lorsque des exigences particulières deverticalité sont requises, cette verticalité peut alors êtrecontrôlée par mesures inclino-gyrométriques.

Après achèvement de la foration, un contrôle dimensionnel dupuits peut être réalisé avec un diamétreur ultrasons à tête tour-nante fixé dans une cage permettant de centrer le capteur dansle puits.

8.3.3.3 - Technique de marinage

L'évacuation des déblais (cuttings) est réalisée par l'intérieurdes tiges en accélérant leur vitesse de remontée (circulationinverse) par un système d' " air lift " qui crée un puissantphénomène d'aspiration sur la totalité ou une partie de lahauteur de forage. Il est bien sûr essentiel que la remontée desdéblais s’effectue correctement, sans quoi l’efficacité de l’outilde forage s’en trouverait altérée.

Le débit d’air injecté par la tête d’injection double est générale-ment de l’ordre de plusieurs dizaines de mètres cubes parminute.

La séparation solide/liquide est réalisée par l’intermédiaire d’unbourbier à décantation ou d’une installation de traitement dessolides. Le fluide de foration est ensuite réinjecté dans le puits.

8.3.3.4 - Revêtement du puits

Une fois le puits foré et si l'exploitation le requiert, un cuvelagepeut être mis en œuvre.

Les deux types de revêtement généralement utilisés sont lessuivants :

• cuvelage en tubes métalliques de longueur unitaire (pouvantvarier de quelques mètres à une douzaine de mètres), soudés aufur et à mesure de leur descente et renforcés de cerces permet-tant de résister à la pression hydrostatique (cf. figure 19) ;

• cuvelage composite acier-béton descendu dans le foragetoujours rempli de fluide de foration.

Quel que soit le dispositif de revêtement retenu, l’élément defond est équipé d’un sabot étanche reforable permettant dedescendre le cuvelage en flottaison négative contrôlée. Pourgarantir la régularité de l’espace annulaire entre le terrain et lecuvelage, ce dernier est équipé de goussets de centrage en partieinférieure.

Après descente du cuvelage à la cote requise, il est scellé auterrain par injection d’un laitier de ciment ou d’un mortier à sabase, au travers de plusieurs lignes de cimentation descenduesdans des tubes guides verticaux crépinés (ou tubings) prévus àcet effet et soudés sur l’extrados du cuvelage.

Après cimentation, le fluide de forage contenu dans le cuvelageet servant de lest peut être enlevé par pompage.

• une tige carrée (“ kelly ”) vissée sur le train de tiges, coulissantdans la table de rotation et communiquant le mouvement derotation à l’ensemble de la garniture ;

• une tête d’injection double vissée au sommet de la tige carréeet permettant, d’une part, une injection d’air et, d’autre part,l’évacuation du flux de déblais en provenance du front de taille ;l’efficacité du système de remontée des déblais conditionnefortement l’efficacité et donc l’avancement de la foration.

Le puits doit être en permanence plein d'eau ou de boue pourassurer également, si nécessaire, un rôle de stabilisation desparois du forage (grâce à la formation d'un cake), ou pourassurer l’équilibre hydrostatique de nappes profondes situéesdans des formations aquifères.

L’ensemble de la garniture de forage est suspendue dans le mâtde la machine de forage par l’intermédiaire de la tête d’injectionet du mouflage. La vitesse de rotation est généralementcomprise entre 5 et 20 tours par minute selon le diamètre duforage à exécuter.

Le poids très important de l'assemblage de fond ou "massestiges", souvent de l’ordre de 300 tonnes, est utile non seule-ment à la foration mais crée aussi un phénomène pendulairepermettant de limiter la déviation du forage. En cas de nonrespect des tolérances prescrites, il est nécessaire d’effectuer uneopération de réalésage en vue de corriger le dépassement. Cetteopération consiste à entraîner le train de tiges en rotation enpositionnant les aléseurs au droit de la zone à trop fort gradientjusqu’à ce que la tolérance de forage soit à nouveau respectée.

La vitesse d’avancement est comprise entre quelques mètres parjour et quelques dizaines de mètres selon les terrains rencontrés

Figure 18 : Assemblage de fond de trou avec tête deforage équipée de molettes à disques(Zeni Drilling – USA)

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Puits profonds et galeries inclinées

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En France, seul le puits de Sennecey-le-Grand, pour Butagaz, aété réalisé par forage en grand diamètre, de -80 m à -160 m audiamètre de foration de 2,80 m.

8.4 - Forage par élargissement descendant sur avant-trou

8.4.1 - PréambuleCette technique de forage par élargissement descendant, encoreappelée “ shaft reaming ”, est utilisée pour aléser un puits préala-blement exécuté (cf. figure 20).

8.4.2 - Domaine d’applicationCe procédé a permis, à ce jour, la réalisation de puits deplusieurs mètres de diamètre.

8.4.3 - Description du procédé d’exécutionCet alésage se fait de haut en bas et utilise l’une des deux tech-niques suivantes :

• méthode traditionnelle à l’explosif en prenant les précautionsnécessaires vis-à-vis du vide constitué par l’avant-trou existant :cheminée d’équilibre de Grand Maison diam 11 m H=200 m

• creusement à l’aide d’un engin type V-mole (avec tête decoupe équipée de grippers) fonctionnant en vertical commeun tunnelier pour roches dures.

Depuis le démarrage du forage jusqu'au bétonnage final autourdu cuvelage, l'accès dans le puits n'est ni possible, ni requis.

8.3.4 - RéférencesLe graphe 1 en annexe (profondeur du forage / diamètre duforage) met en évidence le retour d’expérience industrielledisponible à travers le monde pour les puits de diamètre supé-rieur à 2,5 m. Cette technique est surtout utilisée pour les puitsdes houillères d'Ukraine, avec des machines de fabrication alle-mande (Wirth).

Parmi les plus grands puits réalisés, on peut citer les exemplessuivants :

• Puits Béatrix (Pays-Bas) : D = 7,6 m H = 500 m réalisé par 7 réalésages successifs

• Puits Hongyang n° 2 (Chine): D = 6,2 m H = 113 m,

• Puits Dobropoljevgol : D = 5,6 m H = 127 m,

• Puits Ambrosia Lake (USA) : D = 5 m H = 240 m,

• Puits Dartbrook (Australie) : D = 5 m H = 187 m réalisé avec 1 réalésage intermédiaire

• Puits Sophia Jacoba (Allemagne) : D = 4,6 m H = 410 m réalisé en terrains instables, avec pose d’un revêtement compositeacier-béton

• Puits Agnew Mining (Australie) : D = 4,2 m H = 750 m réalisé en roches dures

• Puits pour essais atomiques au Nevada (USA) :D = 3 m H = 1700 m

Figure 19 : Coupe du cuvelage métallique et du processus de cimentation

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8.5 - Autres techniques peu utilisées ouà titre expérimentalLe principe de base est d’utiliser une machine de creusementvertical, analogue à un tunnelier, suivie d’un système d’extrac-tion des déblais.

Dans les années 70-80, plusieurs équipements ont été cons-truits sur ce principe en Allemagne (Wirth), aux Etats-Unis(Robbins), et en Europe de l’Est (Russie, Pologne) mais trèspeu de références industrielles existent.

Ce sont principalement les problèmes liés à l’extraction desdéblais (et les considérations économiques associées) qui ontfreiné le développement du procédé.

Références :La seule référence vraiment connue est le puits de HeinrichRobert en Allemagne, de diamètre 5,8 m et de profondeur 180 m.

8.6 - Puits et galeries profonds inclinéscreusés en descendant

8.6.1 - PréambuleLe raccordement de deux points distants en plan et en élévationne doit pas conduire à retenir systématiquement une concep-tion de puits incliné. En effet, le concepteur, dans son choix detracé, doit clairement poser le problème et identifier l’ensembledes contraintes du projet, car il est bien souvent plus écono-mique de combiner le fonçage d’un puits vertical et le creuse-ment d’une galerie horizontale, plutôt que de retenir le fonçaged’un puits incliné, et ce, pour plusieurs raisons :• linéaire de creusement plus important dans les terrains de

surface présentant souvent des problèmes de stabilité accrus(mauvaise tenue, venues d’eau) ;

• effet de la pesanteur en toit de puits incliné pouvant avoir uneffet néfaste sur la stabilité de blocs en présence de terrainsdiaclasés ;

• difficulté de mise en œuvre d’un soutènement lourd en puitsincliné ;

• plus grande difficulté à exécuter des traitements de terrain(risque de déviation des forages) ;

• difficulté de maîtrise des venues d’eau au front et de leurévacuation (difficultés de minage en radier sous eau,…), saufavec des puits inclinés exécutés sur avant-trou.

8.6.2 - Puits et galeries traditionnels sansavant-trouLe mode d’exécution de ces puits inclinés relève d’une adapta-tion du procédé de creusement par méthode traditionnelledéveloppé précédemment. Le plancher de travail et autresmobiles, au lieu de fonctionner comme des ascenseurs, sontremplacés par des funiculaires sur rails.

Les points essentiels sur lesquels il convient d’attirer l’attentionconcernent :

• la section de l’ouvrage qui devra être suffisante pourpermettre une certaine mécanisation du cycle de fonçage ;

Comme les déblais tombent au travers du trou au pied du puitset s’évacuent par gravité, l’opération de marinage est notable-ment simplifiée et les problèmes d’exhaure résolus. De ce fait,l’installation de surface se trouve simplifiée et le matériel allégé.Par contre, la stabilité des parois n'est plus assurée par le cake,ce qui peut nécessiter un soutènement classique (boulons etbéton projeté).

Avec cette technique, la règle primordiale est d’évacuer sur"avant-trou libre ", c’est-à-dire de s’assurer que le cycle demarinage permet, à tout moment, de vider l’avant-trou pouréviter toute formation de " bouchon " à l’intérieur de cedernier, les conditions de débouchage étant souvent longues etpérilleuses, avec des risques de rupture brutale de ce bouchon(" débourrage ").

Dans les deux cas, la pose du soutènement et du revêtementpeut se faire juste après l’opération d’alésage.

Références :

Le tableau 3 en annexe fournit les principales références depuits réalisés par élargissement descendant.

Figure 20 : Forage par élargissement descendant

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Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 113

petit diamètre(10’’3/8 ou 12’’1/4)entre la tête et la base dupuits (trou pilote), puis deremplacer l’outil du forage pilotepar un autre de plus grand diamètre,et enfin d’aléser en remontant, tandisque les déblais tombent à la base du puits(cf. figures 22 et 23).

Les références courantes ont des diamètres de 2 à4 m ; quelques puits ont été réalisés en 5 m de diamètre.Actuellement, la hauteur des puits est limitée à 700 m environpour les machines les plus puissantes.

9.2.2 - Domaine d’applicationOutre son utilisation fréquente comme “ avant trou ” de puitsde grande dimension, notamment dans les aménagementshydroélectriques (cheminée d’équilibre, puits de chute, decâbles,...), la méthode du “raise boring” est souvent utilisée enmine ou en génie civil pour des puits d’aérage ou des puits depassage pour câbles ou tuyauteries.

9.2.3 - Procédé d’exécutionLe matériel utilisé comporte :

• une machine de forage installée en surface sur une charpentemétallique ou une dalle bétonnée ;

• un jeu de tiges de forage, de diamètre 10’’3/8 ou 12’’1/4, géné-ralement de longueur 1.50 m, à forte inertie ;

• un tricône du diamètre du trou pilote, très voisin de celui destiges de forage ;

• des centreurs, intercalés généralement dans les dix derniersmètres du train de tiges, en vue d’augmenter la rigidité de cedernier et de réduire ainsi les risques de déviation ;

• une centrale à boue ou à eau claire pour l’évacuation desdéblais durant le forage du trou pilote ;

• un portique de manutention des tiges ;

• un (ou plusieurs) aléseurs, de forme tronconique, comportantdes “ molettes ” dont le nombre et la nature dépendent descaractéristiques du terrain : molettes à disques ou à picots (cf.figure 23).

• les moyens de transport du personnel et d’évacuation desdéblais, qui nécessitent un guidage particulier des mobiles(plancher de travail et bennes) ;

• la mise en sécurité du puits face, notamment, aux risques derupture de câbles et de rebond des cailloux susceptibles de sedétacher des parements (trajectoire aléatoire).

8.6.3 - Puits et galeries inclinés exécutés suravant-trouCe mode d’exécution représente une simple variante de celuisans avant-trou.

Comme dans le cas du forage par alésage descendant, les déblaiss’évacuent, par gravité, au travers de l’avant-trou, ce quisimplifie notablement l’opération de marinage et résout leproblème d’exhaure.

9 - PUITS PROFONDS VERTICAUX OUINCLINÉS CREUSÉS EN REMONTANT

9.1 - PréambuleLes méthodes de creusement de puits en remontant impliquenttoutes, comme condition préalable, de disposer d’un accès aupied de l’ouvrage permettant l’évacuation des déblais.

Si elles présentent l’avantage de dissocier le marinage des autresopérations du cycle (foration, tir, soutènement ou “ passe ” detunnelier) et, ce faisant, permettent un gain de temps non négli-geable, elles nécessitent en contrepartie la présence de terrainsrocheux de bonne qualité, stables sans soutènement.

Les méthodes utilisées pour le creusement de puits en remontantne permettent en général pas la réalisation d’ouvrages de granddiamètre ; pour ceux-ci, le puits en remontant peut servird’“avant-trou” pour un élargissement descendant par fonçagetraditionnel ou mécanisé.

Les puits inclinés, traités au § 8-4, ne sont que l’adaptation desméthodes décrites pour les puits verticaux, à l’exception destunneliers qui font l’objet d’un développement spécifique.

9.2 - Puits verticaux creusés par alésage montant ou " raise boring "9.2.1 - PrincipeCette méthode, dérivée des forages de reconnaissance ou desforages pétroliers, consiste à effectuer un forage descendant de

Figure 21 : Principe de fonçage d'un puits incliné endescendant

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TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008114

L’opération d’alésage peut, dans certaines conditions, êtrerépétée plusieurs fois, à l’aide d’aléseurs de diamètre de plus enplus grand.

9.2.4 - Contraintes de la méthodeElles sont de plusieurs natures :

• risque de déviation du trou pilote, donc de non-verticalité dupuits définitif car l’alésage, qui suit exactement le tracé dutrou pilote ne permet pas de rattraper les écarts ;

• impossibilité d’accéder au front de creusement et de poser unsoutènement, opérations qui ne peuvent se faire qu’ultérieure-ment à partir d’un plancher suspendu ou d’une autre installa-tion. Ceci implique que les terrains traversés aient les caracté-ristiques nécessaires pour attendre éventuellement plusieursmois la pose d’un soutènement.

Ces contraintes n’ont pas ou peu d’importance dans le cas d’unpuits utilisé en “ avant trou ” d’un fonçage traditionnel, pourautant que la déviation et la dégradation des terrains restentdans des limites raisonnables ; par contre, dans le cas deconduits blindés ou bétonnés, des déviations mal maîtrisées

Le forage du trou pilote, généralement en “circulation inverse ”pour accélérer la remontée des cuttings, est réalisé en continu ;la déviation est limitée par le poids et la rigidité du train detiges. Si nécessaire, la déviation du forage pilote est contrôlée àl’avancement et corrigée en cours d’exécution. Quand le troupilote a débouché dans la galerie ou salle à la base du futur puits(dimensionnée de manière à permettre le transport de l’aléseurà l’aplomb du trou pilote), le tricône est démonté et remplacépar l’aléseur du diamètre souhaité (cf. figure 24). L’alésage sefait en remontant, les tiges étant démontées en surface au fur età mesure de l’avancement. Les déblais tombent à la base dupuits et sont repris par un engin indépendant.

La machine doit être capable de développer un effort de trac-tion suffisant pour équilibrer le poids des tiges et de l’aléseur,mais également, pour assurer une pression suffisante des outilsde coupe sur le terrain. Afin de refroidir les outils, il est néces-saire d’avoir recours à une circulation d’eau abondante.

Dans les terrains très abrasifs, il est recommandé d’équiperl’aléseur de molettes neuves avant le début de l’opération, ceciafin d’éviter de redescendre l’ensemble, en cours d’alésage, pourun changement d’outils.

Figure 22 : Principe de raise-boring

Figure 24 : Raise-boring

Figure 23 : Aléseur muni de molette à picots

a) Aléseur en galerie avant attaque b) Alésage en cours

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Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 115

chute d’aménagements hydroélectriques de moyenne impor-tance. De plus, l’appareil Alimak ne permet pas d’opération debétonnage, qui nécessite un autre équipement (coffrage glissantpar exemple). Par contre cette méthode a fréquemment étéutilisée pour creuser un “ avant trou ” de puits de plus grandedimension.

La nature des fixations des rails par ancrage implique, pour desraisons évidentes de sécurité, un terrain rocheux de bonnequalité.

De plus, la très grande difficulté - voire l’impossibilité - deréaliser des injections à l’avancement limite l’usage de laméthode à des terrains très peu aquifères.

9.3.1.3 - Procédé d’exécutionLe matériel utilisé comporte :• l’appareil proprement dit, dont le châssis supporte la plate-

forme de travail d’environ 2m x 2m et les moteurs avec despignons engrenant sur la crémaillère (n° 1 sur la figure 25) ;

• une cabine pour le personnel, située sous la plate-forme etcomportant les organes de commande ;

• une ligne de rails à crémaillère de 2 m de long chacun ;• une herse de protection robuste au-dessus de la plate-forme ;• un enrouleur à flexible pour air comprimé ou à câble élec-

trique pour les appareils utilisant ces sources d’énergie ;• un appareil de secours et de servitude circulant sur les mêmes

rails et permettant de joindre l’appareil principal (n° 2 sur lafigure 25).

peuvent conduire à des difficultés majeures. Ces problèmes dedéviation peuvent devenir de plus en plus aigus dans le cas depuits inclinés (effet de la pesanteur) ou en présence d’horizonsgéologiques inclinés, où la qualité du guidage du forage est plusdifficile à assurer ;

• risque de " bouchonnage " puis de " débourrage " brutal si lesdéblais s’accumulent à la base et montent dans le fût du puits ;ils doivent donc être évacués régulièrement.

9.2.5 - RéférencesLe tableau 4 en annexe indique les puits réalisés en Allemagnede 1983 à 1993 par la méthode d'alésage montant ; il met enévidence les gammes de diamètre et de profondeur pratiquéespar l'industrie minière.

On peut également citer quelques autres références significatives :

9.3 - Autres techniques de creusementde puits verticaux

9.3.1 - Creusement par le procédé ALIMAK

9.3.1.1 - PrincipeCette méthode, mise au point en Suède dans les années 60,consiste à accéder au front d’attaque, depuis une galerie de piedde puits, à l’aide d’un appareil ou “ raise climber ” qui est à lafois un ascenseur et une plate-forme de travail. Il se déplace surune ligne de rails à crémaillère fixés au terrain à l’aide deboulons à expansion et installés de bas en haut au fur et àmesure de l’avancement.

9.3.1.2 - Domaine d’applicationDans cette méthode, la section du puits est généralementcomprise entre 4 et 10 m2 ; aussi son utilisation en puits défi-nitif est réservée à des puits secondaires d’aérage ou des puits de

• Canada : Puits Falconbridge : D = 3,3 m H = 630 m

• Suède : Puits Kiruna D = 3,05 m H = 370 m

• France : Puits d’aérage du tunnel de NANTUA : D = 5,0 m H = 180 mAménagement E.D.F. de GRAND MAISON (Cheminée d’équilibre) D = 2,40 m H = 200 mCheminée d’équilibre ARC ISERE D = 1,80 m H = 180 mAménagement E.D.F. de LAPARAN D = 2,40 m H = 160 mAménagement E.D.F. TAKAMAKA 2 D = 2,40 m H = 285 mMine de JOUAC (Cogema) D = 2,40 m H = 150 mSANTA AUGUSTA (Vicat) D = 4,05 m H = 200 m

• Colombie :Aménagement du GUAVIO D = 2,40 m H = 500 m

• Suisse : Aménagement hydroélectrique CLEUSON-DIXENCECheminée d’équilibre (avant trou) D = 1,80 m H = 180 m

Figure 25 : Principe de procédé Alimak

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AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008116

Mus, à l’origine, à l’air comprimé ou à l’électricité, ce qui néces-sitait un “ cordon ombilical ” et limitait la hauteur possible (del’ordre de 300 à 400 m), les appareils sont maintenant diesel-électriques, ce qui leur confère une autonomie bien plusgrande.

Le cycle de travail est le suivant, à partir du tir, les appareilsn° 1 et 2 étant repliés dans la galerie de base :• ventilation du front par l’intermédiaire des tubes insérés dans

les rails ;• remontée du personnel à front ;• purge du front à l’abri de la herse ;• rallonge, si nécessaire, de la ligne de rail ;• foration de la volée ;• chargement des explosifs ;• mise en place d’un élément de protection de la ligne de rails ;• descente et mise à l’abri du personnel et matériel.• tir.

9.3.1.4 - Contraintes de la méthode

Elles sont les suivantes :• nécessité d’un personnel mineur très compétent, car quasi-

impossibilité d’accès au front par l’encadrement durant letravail ;

• présence de personnel “ sous ” le front d’attaque et risque dechute de blocs, notamment avant la purge ;

• problèmes de soutènement et de fixation des rails au passagedes failles ou des zones de moindre qualité ;

• difficultés d’aérage du chantier en conformité avec les normesen vigueur ;

• problèmes en cas de présence de méthane, plus léger que l’air,dans les terrains houillers.

En France, avec les règles de sécurité actuelles et les approchespar analyse de risques, cette technique ne peut plus être utilisée.

9.3.1.5 - Références

Le puits le plus profond creusé en une seule fois a été de 1 050 men Norvège.

En France, les principales références utilisant cette techniqueont été acquises, dans les années 1970, sur les sites suivants :

Figure 26 : Machine Borpak

9.3.2 - Méthode BorPak

9.3.2.1 - PrincipeCette méthode permet de forer des puits aveugles de bas enhaut directement au diamètre final, verticaux ou faiblementinclinés sur la verticale ; la machine est en fait un tunnelierminiature avec évacuation gravitaire des déblais. La machine estbloquée au terrain par des patins serrés hydrauliquement.

9.3.2.2 - Domaine d’applicationCette méthode est essentiellement utilisée dans le domaineminier, lorsque, pour les besoins de l’exploitation, il est néces-saire de réaliser de nombreuses cheminées de courte longueur(inférieure à 40 m). Elle nécessite globalement de bonnesqualités mécaniques des terrains, voire des roches très résis-tantes (Rc de l’ordre de 200 à 250 MPa), même si le serragehydraulique permet de passer des zones fracturées.

Avec ce procédé, les sections de puits sont limitées à 1,3 à 5 m2

environ, correspondant respectivement à des diamètres d’exca-vation de 1,20 à 2,5 m.

9.3.2.3 - Procédé d’exécutionLa machine (cf. figure 26) comporte :

• à l’extrémité supérieure, la tête de coupe entraînée par plusieursmoteurs électriques ;

• le corps principal comprenant :- le système de serrage pour ancrage dans le trou,- les patins de guidage pour le contrôle directionnel,- les crampons de sécurité empêchant la machine de glisser en

arrière,- le train de forage,- les cylindres de poussée,- les circuits électriques, hydrauliques et les circuits d’eau de

refroidissement ;• un porteur chenillé permettant de déplacer la machine d’un

puits à un autre.

• aménagement hydroélectrique du Mont Cenis (E.D.F.) :- puits reniflard : D = 2,50 m H = 134 m- adduction Ambin D = 2,50 m H = 137 m- adduction Etache D = 2,50 m H = 117 m- avant puits cheminée équilibre D = 2,50 m H = 170 m

• aménagement hydroélectrique de La Coche (E.D.F.) :- cheminée d’équilibre D = 3.0 m H = 120 m

• tunnel du Fréjus – puits d’aérage (avant trou)D = 2.20 m H = 420 m

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AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1

Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 117

9.4.1.3 - Quelques références

9.4.2 - Tunneliers9.4.2.1 - PrincipeDepuis les années 1980, les tunneliers ont été utilisés pour laforation de galeries inclinées en montant (cf. figure 28).

Figure 28: Tunnelier utilisé pour les galeries inclinées de Cleuson-Dixence

9.3.2.4 - Quelques référencesA la mine Coleman d’INCO au Canada, une quinzaine decheminées ont été forées sur des longueurs de 6 à 32 m.

D’autres références existent sur les sites miniers INCO deMc Greedy, de Levack ou encore de Stobie.

9.4 - Puits et galeries inclinés creusésen montant

9.4.1 - Adaptation des méthodes des puits" verticaux "

9.4.1.1 - Description des procédés

Au-dessus d’une certaine pente – que l’on peutfixer à 45 ° sur l’horizontale – les méthodesdécrites ci-dessus pour les puits verticauxremontants (raise boring, Alimak,BorPak) sont également applicables,moyennant quelques adaptations(exemple : rails à courbure spécialepour l’Alimak).

Les principales applications sontdans les secteurs hydroélectriques(galeries annexes des centrales) etminières, où l'on doit suivrel'inclinaison naturelledes couches et filons deminerai.

9.4.1.2 - Contraintes particulières

• l’évacuation gravitaire des déblais – intérêt majeur du creu-sement en remontant – peut poser des problèmes en fonctionde la pente et de la nature des matériaux ( plus ou moins argi-leux) ; des pentes supérieures à 45° peuvent être considéréescomme satisfaisantes. Des systèmes annexes tels que l’ajout de“ goulottes ” en radier dans le cas de l’Alimak ou l’adjonctiond’eau peuvent faciliter le marinage ;

• le risque de déviation est accru par rapport aux puits verticauxet des corrections fréquentes doivent être apportées. Pour laméthode Alimak, l’utilisation de lasers de guidage apporte unesolution sous réserve de les protéger des chutes de blocs. Pour leraise-boring, un contrôle directionnel fréquent du foragepilote, assorti des corrections nécessaires, est indispensable saufà accepter des déviations atteignant la dizaine de quelques % à200-300 m, et pouvant rendre le trou inutilisable ;

• le risque de rupture des tiges de forage, dans le cas duraise-boring, est augmenté, les tiges supportant des effortsimportants en “ flexion composée ” ; la rupture de tige suiviedu coincement de l’aléseur dans le puits en cours d’exécutionpeut générer des difficultés importantes.

Figure 27 Filon de minerai exploité

par la méthode Alimak

9.4.2.2 - Domaine d’applicationCe procédé permet le creusement de galeries dont le diamètrede foration est généralement compris entre 2,5 m et 5 m, voireplus, avec des inclinaisons pouvant atteindre 45°. Une condi-tion nécessaire est que la qualité de la roche soit suffisante pourque les patins latéraux du tunnelier puissent toujours trouverdes conditions d'appui satisfaisantes.

Alimak :• aménagement hydroélectrique du MONT CENIS (E.D.F.) :Reniflard vannes de tête de conduite forcéepuits incliné D = 2,50 m L = 175 m

• aménagement hydroélectrique de MONTEZIC (E.D.F.)- avant trou puits Haute Pression 1-2 (partiel)

puits incliné à 90% D = 3 m L = 298 m

- avant trou puits Haute Pression 3-4 (partiel)puits incliné à 90% D = 3 m L = 358 m

• aménagement hydroélectrique de SAINT GUILLERME(E.D.F.)

puits Haute Pression puits incliné à 100% D = 3 m L = 300 m

Raise boring :• aménagement hydroélectrique de MONTEZIC (E.D.F.)- avant trou puits Haute Pression 1-2 (partiel)

puits incliné à 90% D = 2,40 m L = 232 m

- avant trou puits Haute Pression 3-4 (partiel)puits incliné à 90% D = 3 m L = 171 m

• aménagement hydroélectrique du CHEYLAS (E.D.F.)- avant trou conduite forcée

puits incliné à 90% D = 2,40 m L = 258 m• aménagement hydroélectrique de GRANDMAISON (E.D.F.)- 4 avant trous inclinés du barrage

puits incliné entre 80% et 100% D = 2,40 m L = 80 à 182 m• carrière souterraine de LA PERELLE (Vicat) puits incliné à 140% D = 2,40 m L = 200 m

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TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008118

Aujourd’hui ces ouvrages sont bien souvent revêtus, pour desraisons notamment de sécurité, de pérennité, de garantie destabilité à long terme du terrain encaissant, de qualité d’écoule-ment hydraulique ou aéraulique, de respect de l’environne-ment, voire de procédé de réalisation (tunnelier avec pose durevêtement à l’avancement).

Nous nous attacherons ici uniquement à rappeler les princi-paux éléments entrant dans le dimensionnement des revête-ments, sans chercher à détailler les méthodes de calcul dessoutènements provisoires de ces types d’ouvrages, pourlesquelles il conviendra de se référer aux règles ou recommanda-tions relatives aux galeries horizontales.

10.2 - Cas de charge à considérerQue ce soit pour les puits profonds ou les galeries inclinées, lescas de charge à considérer dans les différentes étapes de la vie del’ouvrage sont les suivants :

10.2.1 - Phase de réalisation de l’ouvrage• Pression du terrain à court terme ;

• Pression hydrostatique extérieure, si celle-ci a eu le temps des’établir autour du soutènement ou du revêtement ;

• Effet des injections de collage revêtement / terrain ;

• Effet des éventuelles injections de consolidation ou d’étan-chement du terrain au voisinage de l’ouvrage ;

• Effet des injections de contact blindage / béton d’enrobage(cas des ouvrages hydrauliques).

10.2.2 - Phase d’exploitation de l’ouvrageOutre les sollicitations déjà appliquées à l’ouvrage en fin deréalisation, il convient de prendre en considération des cas decharges complémentaires tels que :• pression du terrain à long terme (fluage du terrain) ;• effet de retrait du béton ;• effet de la variation de température ;• charges apportées par les équipements ;• pression hydrostatique intérieure (cas des ouvrages hydrau-

liques en exploitation), éventuellement phénomène de "coupde bélier ";

• réaction du terrain (dans la limite de sa capacité de mobilisa-tion fonction de la couverture) lorsque la pression hydrauliqueintérieure est supérieure à la pression hydrostatique extérieure(cas des galeries en charge et conduites forcées en exploita-tion).

Concernant les ouvrages hydrauliques, une attention particu-lière sera portée aux principes de conception du revêtement et àsa perméabilité admissible. En effet, il pourra être considérécomme imperméable en présence d’un blindage métallique,légèrement perméable dans le cas d’un revêtement en bétonarmé, semi-perméable en cas de recours à un simple revêtementen béton, voire en béton projeté.

Les pressions apportées par le terrain au revêtement devrontêtre approchées au mieux en tenant compte des éventuels

L’intérêt de cette mécanisation est souvent directement lié aulinéaire de galerie à creuser.

Nous ne reviendrons pas ici sur ce type de machines qui, àquelques adaptations près, est similaire à celles utilisées pour lecreusement de tunnels.

9.4.2.3 - Contraintes particulièresLe recours à cette technique suppose, là encore, une bonneconnaissance du contexte géologique et hydrogéologique dusite (risque de traversées de failles, risques de débourrage,…) etdes conditions géotechniques qui seront rencontrées (dureté,abrasivité des roches, …) afin de concevoir la machine, le maté-riel et les outils capables de répondre au mieux aux exigences duprojet.

Ce procédé présente certains avantages liés à la réduction del’endommagement du massif, tels que :• Minimisation des hors-profils ;• Meilleure stabilité du front offerte par la roue de coupe ;• Consommation moindre en soutènement et revêtement ;• Injections de consolidation ou d’étanchement réduites, du

fait de la diminution de cet endommagement.

Une attention particulière devra être portée sur :

• La pente minimale de foration que devra présenter le projet,afin de permettre l’évacuation gravitaire des déblais ; uneadjonction d’eau pourra permettre de réduire cette pente ;

• La conception du mode d’évacuation du marinage qui devratenir compte des phénomènes d’érosion, de projection,…etde son adéquation avec le système de fixation des rails.

9.4.2.4 - Quelques références• funiculaire de Val d'Isère (FUNIVAL)• aménagement hydroélectrique de GRAND-MAISON

(E.D.F.)• aménagement hydroélectrique de SUPER-BISSORTE

(E.D.F.) • Suisse : Aménagement hydroélectrique de CLEUSON-

DIXENCE

10 - ÉVALUATION DES SOLLICITATIONSDANS LES SOUTÈNEMENTS ET REVÊTEMENTS

10.1 - PréambulePar le passé, les puits et galeries inclinées n’ont pas toujours étérevêtus, même dans le cas d’ouvrages hydrauliques soumis à detrès fortes charges. Cela était possible à condition que :

• la qualité du rocher (granit, gneiss sains) et la couverture soientsuffisantes pour garantir la stabilité du terrain encaissant ;

• les procédés de réalisation aient peu endommagé les parois duterrain (machines de foration, tir à l’explosif maîtrisé) ;

• les points faibles que peuvent représenter la traversée defailles, de joints ou de fractures potentiellement érodablessoient localement revêtus.

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AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1

Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 119

12 - COMPARATIF DES PRINCIPALESMÉTHODES DE RÉALISATION

Le tableau 5 en annexe propose une comparaison des 4 princi-pales méthodes décrites dans la présente recommandation. Pourchaque méthode, sont brièvement analysés les points suivants :

1 - Conditions nécessaires pour utiliser la méthode

2 - Caractéristiques de base :

2.1 - Diamètre de creusement,2.2 - Profondeur de creusement,2.3 - Couple diamètre / profondeur,2.4 - Résistance des formations traversées

3 - Qualité des travaux de creusement :

3.1 - Verticalité du puits,3.2 - Régularité du diamètre de creusement,3.3 - Influence sur les terrains traversés.

4 - Comparatif des revêtements associés à la méthode :

4.1 - Descriptif,4.2 - Commentaires.

5 - Risques techniques associés :

5.1 - Problèmes majeurs rencontrés au cours de réalisation,5.2 - Mesures correctives.

6 - Sécurité pendant la réalisation des travaux

7 - Impact vis-à-vis de l’environnement

Conclusion : Principaux champs d’application de laméthode

phénomènes d’anisotropie du massif encaissant, de comporte-ment différé, etc. Pour cela, il est essentiel de collecter, lors desphases de reconnaissance géologiques, hydrogéologiques etgéotechniques réalisées au cours des différentes étapes deconception, suffisamment d’informations pour être en mesurede bien caractériser les formations en présence et leur comporte-ment.

11 - AUSCULTATIONOn n’insistera jamais assez sur le rôle fondamental que revêtl’auscultation, non seulement lors de la réalisation de l’ouvrage,mais également tout au long de sa vie.

En cours de travaux, elle permettra notamment de s’assurer que :• les lois de comportement du massif et les paramètres géoméca-

niques associés pris en compte pour la conception de l’ou-vrage, sur la base des reconnaissances du terrain réalisées, sontvalides ;

• le soutènement mis en œuvre à l’avancement est efficace etconduit à un équilibre du terrain dans la gamme de déforma-tion envisagée et à des efforts dans le soutènement tels qu’envi-sagés en phases d’études (conception et exécution) ,

• le revêtement est également sollicité dans les plages d’effortsattendus ;

• les conditions hydrogéologiques anticipées ont été correcte-ment évaluées, gage d’un bon comportement de ce type d'ou-vrages ;

• l’impact des travaux sur l’environnement est admissible etrespecte les conditions imposées par le projet.

…/…

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AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008120

Site Diamètre (m) Profondeur (m) AnnéeAugusta Victoria 1 5,75 950 1955Wulfen 1 7,30 1076 1957Wulfen 2 7,30 1076 1958Warndt 7,50 750 1958Sophia Jacoba 5 6,75 620 1961Augusta Victoria 8 6,75 1056 1963General B.9 7,50 980 1964Nordschacht 7,30 1020 1964Altendorf 5,00 837 1967Sophia Jacoba 7 3,20 410 1975Prosper 10 8,00 1070 1977Lauterbach 7,00 950 1978An der Haard 8,00 1115 1978Polsua 2 8,00 556 1979Haltorn 1 8,00 1135 1979Haltorn 2 8,00 1077 1980Voerde 6,00 1050 1980Hünxe 8,00 1370 1982Sophia Jacoba 9 4,00 930 1984Augusta Victoria 9 8,00 1330 1986Rheinberg 7,50 1300 1986

ANNEXES

Tableau 1 : Fonçage traditionnel - Puits de mines de charbon allemandes réalisés entre 1950 et 1990

Tableau 2 : Forages verticaux en grand diamètre

Dia

mèt

re d

e fo

rage

(en

mèt

res)

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AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1

Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 121

Site Diamètre (m) Profondeur (m) Année

Emil Mayrisch 4,50 231 1971

Walsum 5,00 243 1972

Zollverein 5,00 227 1973

Sterkrade 4,90 196 1974

Carl Alexander 5,00 228 1975

Minister Stein 5,00 302 1975

Carl Alexander 5,00 228 1976

Rossenray 5,00 224 1977

Carl Alexander 5,00 228 1977

Ibbenbüren 6,00 467 1977

Gneisenau 5,10 204 1978

Göttelbom 6,50 417 1978

Victoria 1/2 6,00 106 1978

Walsum 5,00 228 1979

Erin 6,00 169 1979

Prosper-Haniel 6,00 135 1980

Prosper-Haniel 6,00 343 1980

Luisenthal 7,00 262 1980

Luisenthal 7,20 325 1981

Gneisenau 6,50 294 1981

Prosper-Haniel 6,00 335 1982

Monopol 6,80 250 1982

Camphausen 7,50 168 1983

Heinrich Robert 5,80 162 1983

Rheinpreussen 6,50 200 1983

Friedrich Heinrich 7,00 320 1984

Prosper-Haniel 6,00 335 1984

Lohberg 6,00 450 1984

Monopol 6,80 250 1984

Göttelbom 8,20 705 1984

Friedrich Heinrich 7,00 320 1987

Niederberg 5,00 140 1987

Prosper-Haniel 8,20 313 1988

Sophia-Jacoba 6,00 406 1988

Lohberg 6,00 307 1988

Monopol 6,80 226 1988

Niederberg 7,50 287 1993

Tableau 3 : Forages de puits par élargissement descendant(exemple des principales références de mines de charbon allemandes)

Page 31: GT28R1F1 Puits Profonds Et Galeries Inclinées

AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008122

Site Diamètre (m) Profondeur (m) Année

Rheinpreussen 2,00 245 1983Erin 3,60 76 1983Waterschei 2,00 100 1983Luisenthal 5,50 50 1984Ibbenbüren 3,60 70 1984Ibbenbüren 5,50 75 1984Heinrich Robert 2,40 44 1985Victoria 1/2 2,70 117 1986Walsum 2,00 235 1986Heinrich Robert 2,40 88 1986Emil Mayrisch 2,00 61 1986Victoria 1/2 2,70 111 1987Prosper Haniel 2,40 23 1989Fürst Leopold 2,00 233 1990Ibbenbüren 2,00 87 1991Prosper Haniel 2,40 53 1991Heinrich Robert 4,00 92 1991Consolidation 2,70 156 1992Westfalen 4,00 114 1993Hugo 2,40 128 1993

Tableau 4 : Forages par alésage montant (exemple des principales références de mines de charbon allemandes)

Tableau 5: Comparatif des principales méthodes de réalisation de puits

FONÇAGE TRADITIONNEL

Le débit d’arrivée d’eau doitêtre inférieur à 5-10 m3/hpour pouvoir réaliser les tirs àl’avancement.

Dans le cas de débits supé-rieurs, des travaux prélimi-naires ou des traitements àl’avancement doivent êtreréalisés pour les maîtriser.

Il convient d’attirer l’atten-tion sur les risques liés auxterrains meubles à forteprofondeur et sous pressiond’eau

FORATION GRAND DIAMETRE

Nécessité de ne pas avoir depertes de fluide de forage tropimportantes (exemple :présence de karsts)

REALESAGE MONTANT

Nécessité d’un forage piloteatteignant une galerie quiconstituera le niveau de basedu puits. Cette galerie devrapermettre le montage de latête aléseuse et l’évacuationdes déblais au cours de laremontée de la tête.

Espace suffisant pourdescendre la tête

Méthode non adaptée à latraversée de terrains instables,trop fracturés, ou aquifères,sauf à faire un traitementpréalable depuis la surface.

REALESAGE DESCENDANT MECANIQUE

Nécessité d’un puits centralde plus petit diamètre (réalisésouvent par réalésagemontant) pour évacuer lesdéblais par le bas.

Méthode non adaptée à latraversée de terrains meublesou instables, sauf à faire untraitement préalable depuis lasurface ou à l’avancement.

NOTA :Le réalésage descendant par laméthode traditionnelle estrenvoyé à la 1ère colonne.

1 - Conditions nécessaires pour utiliser la méthode

Page 32: GT28R1F1 Puits Profonds Et Galeries Inclinées

AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1

Puits profonds et galeries inclinées

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 123

2-1- Diamètre decreusement (D)

2-2 - Profondeur decreusement (H)

2-3 - Couplediamètre/profondeur

2-4 - Résistance desformations traversées

3-1 - Verticalité dupuits

3-2 - Régularité dudiamètre de creuse-ment

FONÇAGE TRADITIONNEL

D généralement supérieur à3,5 m, du fait de l’utilisationde méthodes mécanisées, desbesoins de ventilation et de lacirculation des mobiles.

Pas de limite supérieure (lalimite actuelle correspondplutôt à la demande dumarché, soit 10 à 12 m).

H > 1000 m sans problèmeparticulier.La limite est liée au poids ducâble qui devient prépondé-rant par rapport aux chargestransportées (1500 m enAfrique du Sud)

La plupart des puits profonds(> 400 m) ont un diamètresupérieur à 4 m, la moyenneétant de l’ordre de 7 m.

Pas de limites supérieures(utilisation de l’explosif ).Diminution de la longueurdes volées de tir, soutènementprovisoire et éventuellementtraitement préalable desterrains de mauvaise tenue

Parfaitement maîtrisée àl’avancement.

La section est irrégulière ; desincidents de tir peuvententraîner un hors profil dequelques dizaines de cm.

FORATION GRAND DIAMETRE

D généralement comprisentre 2 et 4 m ; ce diamètrepeut être augmenté en réali-sant l’opération en plusieurspasses.

H > 1000 m en quelquesoccasions.

Le plus grand diamètre nepeut être associé à la plusgrande profondeur ; l’éventaildes puits forés pour desprojets miniers varie générale-ment de 2 à 4 m pour lesdiamètres, et 100 à 400 mpour les profondeurs.

Les roches dures ne posentplus de problèmes majeurs :utilisation de molettes àdisques.

Maîtrisée par l’effet pendu-laire de la garniture de forage(précision de l’ordre de 0,5 %)

Le diamètre est égal audiamètre de l’outil de fora-tion.

REALESAGE MONTANT

D généralement inférieur ouégal à 5 m et dépend de lapuissance des machinesdisponibles.

D peut être plus important sion réalise l’opération de réalé-sage montant en plusieurspasses.

H limitée à 700 m environpour les machines les pluspuissantes.

Le plus grand diamètre nepeut être associé à la plusgrande profondeur ; lediamètre dépasse rarement3 m pour des profondeurs au-delà de 400 m. Le poids del’aléseur et des tiges vient endéduction de la capacité detraction.

Les roches dures peuventoccasionner des problèmesd’usure et de rupture du trainde tiges.

Maîtrisée par la réalisationd’un forage pilote dirigé(précision de l’ordre de 2 °/°°).Hors forage pilote dirigé, ladéviation peut être de l’ordrede 1 %.

Le diamètre est égal audiamètre de l’outil de fora-tion.

REALESAGE DESCENDANT MECANIQUE

D peut être important,avec des références jusqu’àprès de 10 m.

H limitée à 700 m environs’il y a nécessité de réaliserle puits central par réalé-sage montant au début del’opération.

La plupart des puitsréalisés ont un diamètrecompris entre 4 et 10 m,selon les fonctions deman-dées au puits.

La méthode permet defranchir un éventail deroches assez large.

Maîtrisée à l’avancement.

Le diamètre est égal audiamètre de l’outil de fora-tion.

2 - Caractéristiques générales

3 - Qualité des travaux de creusement

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TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008124

3-3 - Influence sur les terrains traversés

4-1 - Descriptif

4-2 - Commentaires

5-1 - Problèmesmajeurs rencontrés au cours de réalisations

La mise au point d’un schémade tir adapté - tir adouci(smooth blasting) - permetde minimiser la fissurationdes parements du puits.

La pose d’un soutènement àl’avancement minimise ladécompression du massifencaissant ; une couche debéton projeté stoppe l’altéra-tion des terrains.

Le revêtement est posé parl’équipe dans le puits à partird’un plancher de travail et saqualité peut être contrôlée aufur et à mesure.

La pose du revêtement peut sefaire au choix plus ou moinsrapidement après la réalisa-tion du creusement, en fonc-tion de la nature des terrains ;le plus souvent, cette pose estfaite avec 10 à 20 m de retardpar rapport au creusement.

Arrivée d’eau non maîtriséepar les opérations préalablesde traitement des terrains (casdes terrains meubles sousforte pression d’eau), en parti-culier rupture d'un murinsuffisamment congelé.

La méthode donne un aspectassez lisse à la paroi du puits ;elle affecte peu l’état desterrains qui restent sous fluidejusqu’à la pose éventuelle durevêtement.

Le cuvelage est une successiond’éléments cylindriques posésà partir de la surface aprèsavoir été soigneusementcontrôlés.

Une cimentation de l'espaceannulaire entre le tubage et lesparois du puits, faite à partirdu fond par passes successivesest ensuite presque toujoursréalisée.

La qualité finale du revête-ment est contrôlée unique-ment après la fin des travauxet l’évacuation du fluide deforage de l’intérieur du cuve-lage.Le cuvelage doit être dimen-sionné pour résister aux pres-sions extérieures, ce qui néces-site souvent des renforts parcerces.

- Rupture du train de tiges,avec plus ou moins de diffi-cultés de repêchage de l’outilde foration.

- Blocage de l’outil de fora-tion consécutif à une inter-ruption de rotation du faitde la nature et de la conver-gence des terrains.

- Usure anormale et rupturedes molettes (abrasivité desterrains traversés)

La méthode donne un aspectassez lisse à la paroi du puits ;elle affecte elle-même peul’état des terrains au momentdu creusement. Le délainécessaire avant la pose éven-tuelle du revêtement qui estlié à l’installation d’un maté-riel spécifique est néfaste pourles terrains sujets à des venuesd’eau, susceptibles d’altéra-tion ou fracturés.

La pose du revêtement estfaite après réalisationcomplète du creusement endescendant dans le puits àpartir d’un plancher de travailmobile et sa qualité peut êtrecontrôlée au fur et à mesure.

La pose du revêtement estnettement décalée par rapportà la réalisation du creusement

- État de fracturation desterrains ou venues d’eauentraînant la formation devides, avant que l’opérationde revêtement ne puisse seréaliser.

- Rupture du train de tiges.

- Déviation majeure obligeantde reboucher le trou piloteet de faire un nouveauforage.Procédés de contrôle duforage et mesures de dévia-tion indispensables

La méthode, utilisant unengin type V-mole descen-dant, donne un aspect assezlisse à la paroi du puits ; elleaffecte peu l’état des terrains.

La pose du revêtement estfaite en descendant dans lepuits en utilisant un plancherde travail associé à l’engin decreusement.

La pose du revêtement peut sefaire en continuité de l’opéra-tion de creusement

- L’intégrité de l’avant-troudoit être respectée. Lesproblèmes évoqués pour lecas du réalésage montantrestent les mêmes pour leréalésage descendant.

- Les risques techniquespeuvent être appréhendés aumoment de la réalisation dupuits central qui donne unebonne connaissance préalabledes terrains

FONÇAGE TRADITIONNEL

FORATION GRAND DIAMETRE

REALESAGE MONTANT

REALESAGE DESCENDANT MECANIQUE

4 - Comparatif des revêtements associés à la méthode

5 - Risques techniques associés

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AFTESRecommandations de l’AFTES n° GT28R1F1

Puits profonds et galeries inclinées

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5-2 - Mesures correctives

Les exemples cités mettent enévidence les mesures correc-tives possibles dans le cas oùles problèmes géologiques ethydrogéologiques ont été malappréhendés :

- rabattement de nappe,- injection des terrains à l’avan-

cement (avec une durée et uncoût difficiles à prévoir),

- changement de méthode defonçage : passage à la fora-tion grand diamètre,

- procédure de mise en place dusoutènement et du revêtement.

Le personnel à l’intérieur dupuits est directement exposéaux dangers tels que venuesd’eau, chute de matériels et deblocs, etc.

La mécanisation des équipe-ments de fonçage rend peu àpeu cette méthode moinsdangereuse que par le passé.

Rabattement des nappessouterraines autour du puits.

Vibrations liées à l’utilisationd’explosifs.

Cette technique est très adap-table, en termes de diamètreet profondeur, et est appli-quée sans problème lorsqueles terrains sont de bonnetenue mécanique et sansvenue d’eau majeure.

Dans le cas où ces conditionsnécessaires ne sont pasremplies, le traitement desterrains, préalable ou en coursde fonçage, est obligatoire.

Une perte d’outil de forationse traite au cas par cas avecl’utilisation d’outils de repê-chage venant saisir l’outillaissé en fond de trou.

Le personnel travaille à partirde la surface, sans risquesassociés au travail en profon-deur.

Les manutentions restent lesopérations plus dangereuses :en particulier, la mise enplace des éléments de tubagedoit être menée suivant uneprocédure rigoureuse.

Les pertes de fluide doiventêtre maîtrisées. Les fluides deforage utilisés doivent à la finde l’opération être traitésavant leur rejet.

Cette technique, qui nenécessite qu’une emprise detravail réduite, est adaptée àun large éventail de terrainset est spécialement efficace entermes de coût et durée :- pour des puits d’un

diamètre de 2 à 4 m,- pour des puits ne nécessi-

tant pas d’équipement,- pour la traversée de terrains

de faible tenue mécanique ouaquifères, mais n’entraînant pasde pertes de fluide de forage.

Cette méthode est, dans cescas là, plus rapide que lefonçage traditionnel.

La rupture du train de tigesentraîne la chute de l’outil à labase du puits, sa réfection etson remontage pour la suitede l’opération.

Le " coincement " éventuel del’aléseur dans le puits, aprèsrupture du train de tiges cons-titue un problème majeur entermes de sécurité et doit êtretraité au cas par cas.

Le personnel travaille à partirde la surface, sans risque,pendant les opérations deforage et d’alésage. Il doiteffectuer les travaux de revête-ment dans le puits à partird’un équipement spécifiqueavec plancher de travail.

L’évacuation des déblais enbase du puits doit être orga-nisée de manière à ce que celle-ci ne s’obstrue pas (travail à"niveau vide"), sinon risque de"bouchonnage", suivi d’un" débourrage" non maîtrisable.

Cette technique, non adaptéeaux terrains meubles ou insta-bles, est spécialement efficaceen termes de coût et de duréedans des terrains durs pourdes puits d’un diamètre de 2 à3 m :- dans des terrains d’accès

difficile (équipement limitéutilisé par une équiperéduite),

- pour des puits ne nécessitantpas de revêtement,

- en tant qu’ "avant-trou"pour un puits à élargir.

Le personnel travaille dans lepuits, mais la protectiondonnée par l’engin de creuse-ment, l’évacuation des déblaispar le bas et l’absence de tirslimitent beaucoup les risques.

L’évacuation des déblais enbase du puits doit être orga-nisée de manière à ce quecelle-ci ne s’obstrue pas(travail à "niveau vide") sinonrisque de "blocage" suivi d’un"débourrage" intempestif.

Elargissement de puits exis-tants et rénovation de puitsanciens. Technique rarementmise en œuvre en Europe.

FONÇAGE TRADITIONNEL

FORATION GRAND DIAMETRE

REALESAGE MONTANT

REALESAGE DESCENDANT MECANIQUE

6 - Sécurité pendant la réalisation des travaux

7 - Impact vis-à-vis de l’environnement

CONCLUSION : Principaux champs d’application de la méthode

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LEXIQUE DES TERMES TECHNIQUES UTILISÉS DANS LA RECOMMANDATION

• Abattage : action d’arracher les déblais au massif

• About : les mineurs d’about ou abouts sont les ouvriers affectés aux travaux de puits

• Aérage : ensemble des processus et dispositifs qui ont pour objet d'apporter, dans les cavités souterraines, l'air frais nécessaire, de diluer et d’évacuer l'air vicié, ainsi que de rafraîchir le climat de la mine

• Big-Hole : puits exécuté avec une machine à forer suivant la méthode du rotary. Il est encore appelé " shaft drilling " en terminologieanglo-saxonne. Celle retenue dans la recommandation est " forage en gros diamètre "

• Bouniou : partie inférieure ("aveugle") d'un puits, située au-dessous de la galerie la plus basse qu'il dessert

• Bure : petit puits intérieur reliant deux étages d’une mine

• Canar : conduite d’aspiration ou de refoulement d’air

• Châssis à molettes : ensemble de poutrelles installées dans un chevalement de puits et supportant les poulies d’extraction, les câbles-guide, le plancher,…

• Chevalement : construction métallique édifiée au-dessus d’un puits en cours de fonçage ou d’exploitation et sur laquelle prennent appui le ou les châssis à molettes

• Cuffat : benne métallique de capacité généralement comprise entre 0,5 et 5 m3, servant à remonter les déblais et certains matériels

• Exhaure : ensemble des installations permettant de remonter les eaux du fond vers la surface ; action de remonter ces eaux

• Fonçage : action de creuser en descendant

• Front : surface d’attaque du creusement d’un ouvrage souterrain ; en puits, le front est horizontal

• Galerie : nom générique désignant toute voie de communication souterraine horizontale

• Jour : ce qui est au-dessus du niveau supérieur de la tête de puits

• Molette : poulie métallique placée en tête de chevalement et sur laquelle passent les câbles de treuil. Ce terme désigne également l’outil d’attaque du terrain, monté sur un trépan rotary ou un plateau aléseur

• Niveau : ensemble des ouvrages (recette, galeries,…) desservis par un puits à une cote donnée

• Parement : paroi verticale revêtue ou non d’un puits ou d’une galerie

• Passe : hauteur de puits creusée d’un seul tenant avant exécution du soutènement ou du revêtement. Le terme " retraite " est également employé

• Plancher de travail (angl. "stage") : échafaudage mobile suspendu au chevalement, comprenant couramment 3 à 5 niveaux et servantau creusement et au soutènement du puits

• Porion : agent de maîtrise dans une exploitation minière souterraine

• Raval : action d'approfondir un puits existant

• Recette : installations situées aux abords du puits, à chaque étage

• Rotary : procédé de forage, le plus souvent à la boue, permettant de réaliser des trous dans le terrain par éclatement au moyen d’un outil tournant (tricône) maintenu en pression contre le fond du trou par une tige ou par son propre poids

• Toit : partie supérieure d’un banc, la partie inférieure étant le mur

• Trousse : assise d’un cuvelage prenant appui sur le terrain pour assurer l’étanchéité du joint revêtement-rocher de façon à interdire lecheminement de l’eau à l’extrados du revêtement inférieur

• Tunnelier vertical : machine servant au creusement mécanique d'un puits à pleine section

• Volée : ensemble des mines correspondant à un tir complet. C’est également le volume de terrain disloqué par le tir

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AFTES Notes :

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