Ici, aux États-Unis, nous avions l'habitude de qualifier le creusement de tunnels par forage et dynamitage de tunnel « conventionnel », ce qui, je suppose, laisse le tunnelage par TBM ou d'autres moyens mécanisés être qualifié de « non conventionnel ».Cependant, avec l'évolution de la technologie des tunneliers, il devient de plus en plus rare de creuser des tunnels par forage et dynamitage et nous pourrions donc réfléchir à inverser l'expression et commencer à qualifier le tunnelage par forage et dynamitage de « non conventionnel ». » tunneling.
Le creusement de tunnels par forage et dynamitage reste la méthode la plus courante dans l'industrie minière souterraine, tandis que le creusement de tunnels pour des projets d'infrastructure devient de plus en plus un creusement mécanisé par tunnelier ou d'autres méthodes.Cependant, dans les tunnels courts, pour les grandes sections transversales, la construction de cavernes, les croisements, les passages transversaux, les puits, les conduites forcées, etc., le forage et le dynamitage sont souvent la seule méthode possible.Grâce au forage et au dynamitage, nous avons également la possibilité d'être plus flexibles pour adopter des profils variables par rapport à un tunnel TBM qui donne toujours une section transversale circulaire en particulier pour les tunnels routiers, ce qui entraîne beaucoup de surexcavation par rapport à la section transversale réelle nécessaire.
Dans les pays nordiques, où la formation géologique des constructions souterraines est souvent constituée de granite dur et de gneiss, ce qui se prête à l'exploitation minière par forage et dynamitage de manière très efficace et économique.Par exemple, le système de métro de Stockholm se compose généralement d'une surface rocheuse exposée construite par forage et dynamitage et pulvérisée avec du béton projeté comme revêtement final sans aucun revêtement coulé sur place.
Actuellement, le projet d'AECOM, le contournement de Stockholm, composé d'une autoroute de 21 km (13 miles) dont 18 km (11 miles) souterrains sous l'archipel occidental de Stockholm, est en construction, voir Fig. 1. Ces tunnels ayant des sections transversales variables, pour accueillir trois voies dans chaque direction et des rampes d'accès et de sortie reliant à la surface sont en cours de construction à l'aide de la technique de forage et de dynamitage.Ce type de projets reste compétitif comme le forage et le dynamitage en raison de la bonne géologie et de la nécessité d'une section transversale variable pour répondre aux besoins d'espace.Pour ce projet, plusieurs rampes d'accès ont été développées pour diviser les longs tunnels principaux en plusieurs sections, ce qui réduira le temps global d'excavation du tunnel.Le support initial du tunnel est constitué de boulons d'ancrage et de béton projeté de 4 pouces et le revêtement final est constitué d'une membrane d'étanchéité et de béton projeté de 4 pouces suspendu par des boulons espacés d'environ 4 pieds sur 4, installés à 1 pied de la surface rocheuse recouverte de béton projeté, agit comme un réservoir d'eau et de gel. isolation.
La Norvège est encore plus extrême en matière de creusement de tunnels par forage et dynamitage et a perfectionné au fil des années les méthodes de forage et de dynamitage à la perfection.Avec la topographie très montagneuse de la Norvège et les très longs fjords qui s'étendent à l'intérieur des terres, le besoin de tunnels sous les fjords pour les routes et les chemins de fer est d'une grande importance et peut réduire considérablement le temps de trajet.La Norvège compte plus de 1 000 tunnels routiers, ce qui en fait le plus grand nombre au monde.En outre, la Norvège abrite également d'innombrables centrales hydroélectriques dotées de tunnels et de puits forcés construits par Drill and Blast.Au cours de la période 2015 à 2018, rien qu'en Norvège, il y a eu environ 5,5 millions de CY d'excavation de roches souterraines par forage et dynamitage.Les pays nordiques ont perfectionné la technique du Drill and Blast et ont exploré ses technologies et son état de l'art à travers le monde.De plus, en Europe centrale, en particulier dans les pays alpins, le forage et le dynamitage restent une méthode compétitive en matière de creusement de tunnels malgré la grande longueur des tunnels.La principale différence avec les tunnels nordiques est que la plupart des tunnels alpins sont dotés d'un revêtement final en béton coulé sur place.
Dans le nord-est des États-Unis et dans les régions des montagnes Rocheuses, les conditions sont similaires à celles des pays nordiques, avec des roches dures et compétentes permettant une utilisation économique du forage et du dynamitage.Quelques exemples incluent le métro de New York, le tunnel Eisenhower au Colorado et le tunnel Mt McDonald dans les Rocheuses canadiennes.
Les projets de transport récents à New York, tels que le métro Second Avenue récemment achevé ou le projet East Side Access, ont combiné des tunnels exploités par TBM avec des Station Caverns et d'autres espaces auxiliaires réalisés par Drill and Blast.
L'utilisation des forets géants a évolué au fil des années, passant des foreuses portatives primitives ou des géants à une flèche aux géants à flèches multiples auto-perçants informatisés où les modèles de forage sont introduits dans l'ordinateur de bord permettant un forage rapide et de haute précision à un pré -définir un modèle de forage calculé avec précision.(voir fig. 2)
Les géants de forage avancés sont entièrement automatisés ou semi-automatisés ;dans le premier cas, une fois le trou terminé, le foret revient et se déplace automatiquement vers la position du trou suivant et commence à forer sans qu'il soit nécessaire de le positionner par l'opérateur ;pour les flèches semi-automatiques, l'opérateur déplace la foreuse de trou en trou.Cela permet à un opérateur de manipuler efficacement des foreuses géantes comportant jusqu'à trois flèches à l'aide de l'ordinateur de bord.(voir fig. 3)
Avec le développement de foreuses à roche de 18, 22, 30 et jusqu'à 40 kW de puissance d'impact et de foreuses à haute fréquence avec des alimentateurs pouvant contenir jusqu'à 20' de tiges dérivantes et l'utilisation du système automatisé d'ajout de tiges (RAS), l'avance et la vitesse Le processus de forage s'est considérablement amélioré avec des taux d'avance réels allant jusqu'à 18' par tour et un enfoncement de trou compris entre 8 et 12 pieds/min selon le type de roche et la foreuse utilisée.Une foreuse géante automatisée à 3 flèches peut forer de 800 à 1 200 pieds/heure avec des tiges Drifter de 20 pieds.L'utilisation de tiges dérivantes de 20 pieds nécessite une certaine taille minimale de tunnel (environ 25 pieds) pour permettre de percer des boulons d'ancrage perpendiculairement à l'axe du tunnel en utilisant le même équipement.
Un développement récent est l'utilisation de jumbos multifonctions suspendus à la couronne du tunnel, permettant à plusieurs fonctions de se dérouler simultanément, telles que le forage et le déblayage.Le jumbo peut également être utilisé pour installer des poutres en treillis et du béton projeté.Cette approche chevauche les opérations séquentielles de tunnelage, ce qui permet de gagner du temps sur le planning.Voir la figure 4.
L'utilisation d'émulsion en vrac pour charger les trous à partir d'un camion de chargement séparé, lorsque le jumbo de forage est utilisé pour plusieurs titres, ou comme fonction intégrée au jumbo de forage lorsqu'un seul titre est creusé, est de plus en plus courante, à moins que il existe des restrictions locales pour cette application.Cette méthode est couramment utilisée dans diverses régions du monde, deux ou trois trous pouvant être chargés en même temps ;la concentration de l'émulsion peut être ajustée en fonction des trous à charger.Les trous découpés et les trous inférieurs sont normalement chargés avec une concentration de 100 %, tandis que les trous de contour sont chargés avec une concentration beaucoup plus légère d'environ 25 %.(voir figure 5)
L'utilisation d'une émulsion en vrac nécessite un booster sous la forme d'un bâton d'explosifs emballés (amorce) qui, avec le détonateur, est inséré au fond des trous et est nécessaire pour enflammer l'émulsion en vrac qui est pompée dans le trou.L'utilisation d'émulsion en vrac réduit le temps de chargement global par rapport aux cartouches traditionnelles, où 80 à 100 trous/heure peuvent être chargés à partir d'un camion de chargement équipé de deux pompes de chargement et de paniers pour une ou deux personnes pour atteindre la section transversale complète.Voir Fig.6
L'utilisation de chargeuses sur pneus et de camions reste le moyen le plus courant d'effectuer le déblayage en combinaison avec le forage et le dynamitage pour les tunnels ayant accès à la surface.Dans le cas d'un accès via des puits, les déblais seront transportés principalement par chargeuse sur pneus jusqu'au puits où ils seront hissés à la surface pour un transport ultérieur vers la zone d'élimination finale.
Cependant, l'utilisation d'un concasseur au front de taille du tunnel pour briser les plus gros morceaux de roche afin de permettre leur transfert avec un tapis roulant pour ramener la boue à la surface est une autre innovation qui a été développée en Europe centrale, souvent pour de longs tunnels à travers les Alpes.Cette méthode réduit considérablement le temps de déblayage, en particulier pour les tunnels longs, et élimine les camions dans le tunnel, ce qui améliore l'environnement de travail et réduit la capacité de ventilation nécessaire.Cela libère également le radier du tunnel pour les travaux de bétonnage.Cela présente un avantage supplémentaire si la roche est d’une qualité telle qu’elle peut être utilisée pour la production de granulats.Dans ce cas, la roche concassée peut être traitée de manière minimale pour d'autres utilisations bénéfiques telles que des granulats de béton, du ballast ferroviaire ou une chaussée.Pour réduire le temps entre le sablage et l'application du béton projeté, dans les cas où le temps de maintien peut être un problème, la couche initiale de béton projeté peut être appliquée sur le toit avant que le déblayage ne soit effectué.
Lors de l'excavation de grandes sections transversales en combinaison avec de mauvaises conditions rocheuses, la méthode Drill and Blast nous donne la possibilité de diviser le front de taille en plusieurs titres et d'appliquer la méthode d'excavation séquentielle (SEM) pour l'excavation.Un cap pilote central suivi de galeries latérales décalées est souvent utilisé dans le SEM dans les tunnels, comme le montre la figure 7 pour l'excavation du cap supérieur de la station 86th Street dans le cadre du projet de métro Second Avenue à New York.La partie supérieure a été creusée dans trois galeries, puis a été suivie par deux excavations en banc pour compléter la section transversale de la caverne de 60 pieds de large sur 50 pieds de haut.
Afin de minimiser l’intrusion d’eau dans le tunnel lors de l’excavation, un injection de coulis avant excavation est souvent utilisé.L'injection de coulis avant excavation de la roche est obligatoire en Scandinavie afin de répondre aux exigences environnementales concernant les fuites d'eau dans le tunnel afin de minimiser l'impact de la construction sur le régime de l'eau à la surface ou à proximité.L'injection de coulis avant excavation peut être effectuée pour l'ensemble du tunnel ou pour certaines zones où l'état de la roche et le régime des eaux souterraines nécessitent l'injection pour réduire l'intrusion d'eau à une quantité gérable, comme dans les zones de failles ou de cisaillement.Lors de l'injection sélective de pré-excavation, 4 à 6 trous de sonde sont forés et en fonction de l'eau mesurée provenant des trous de sonde par rapport au déclencheur d'injection établi, l'injection sera mise en œuvre à l'aide de coulis de ciment ou de coulis chimiques.
Normalement, un ventilateur d'injection de pré-excavation se compose de 15 à 40 trous (70 à 80 pieds de long) forés devant la face et injectés avant l'excavation.Le nombre de trous dépend de la taille du tunnel et de la quantité d'eau prévue.L'excavation est ensuite effectuée en laissant une zone de sécurité de 15 à 20 pieds au-delà du dernier tour lors du prochain sondage et du coulis de pré-excavation.L’utilisation du système automatisé d’ajout de tiges (RAS), mentionné ci-dessus, facilite et accélère le forage des trous de sonde et de coulis avec une capacité de 300 à 400 pieds/heure.L'exigence d'injection de coulis avant l'excavation est plus réalisable et plus fiable lors de l'utilisation de la méthode de forage et de dynamitage par rapport à l'utilisation d'un tunnelier.
La sécurité dans les tunnels de forage et de dynamitage a toujours été une préoccupation majeure nécessitant des dispositions particulières en matière de mesures de sécurité.En plus des problèmes de sécurité traditionnels dans le creusement de tunnels, la construction par forage et dynamitage, les risques au front de taille, notamment le forage, le chargement, le détartrage, le déblayage, etc., ajoutent des risques de sécurité supplémentaires qui doivent être pris en compte et planifiés.Avec l'avancement des technologies dans les techniques de forage et de dynamitage et l'application d'une approche d'atténuation des risques aux aspects de sécurité, la sécurité dans les tunnels s'est considérablement améliorée ces dernières années.Par exemple, grâce à l'utilisation d'un forage géant automatisé avec le modèle de forage téléchargé sur l'ordinateur de bord, personne n'a besoin d'être devant la cabine du foreur géant, réduisant ainsi l'exposition potentielle des travailleurs à des dangers potentiels et augmentant ainsi leur sécurité.
La meilleure fonctionnalité liée à la sécurité est probablement le système automatisé d’ajout de tiges (RAS).Avec ce système, principalement utilisé pour le forage de trous longs en relation avec le coulis de pré-excavation et le forage de trous de sonde ;le forage d'extension peut être effectué de manière entièrement automatisée depuis la cabine de l'opérateur et élimine ainsi le risque de blessures (en particulier les blessures aux mains) ;sinon, l'ajout de tiges était effectué manuellement, les travailleurs étant exposés à des blessures lors de l'ajout de tiges à la main.Il convient de noter que la Société norvégienne des tunnels (NNF) a publié en 2018 sa publication n° 27 intitulée « Sécurité dans les tunnels norvégiens de forage et de dynamitage ».La publication aborde de manière systématique les mesures liées à la gestion de la santé, de la sécurité et de l'environnement lors du creusement de tunnels à l'aide des méthodes de forage et de dynamitage et fournit les meilleures pratiques pour les employeurs, les contremaîtres et les ouvriers de la construction du tunnel.La publication reflète l'état de l'art en matière de sécurité dans la construction de forages et de dynamitages et peut être téléchargée gratuitement sur le site Web de la Norwegian Tunneling Society : http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/.
Le forage et le dynamitage utilisés dans le bon concept, même pour les longs tunnels, avec la possibilité de diviser la longueur en plusieurs sections, peuvent toujours être une alternative viable.Des progrès significatifs ont été réalisés récemment en matière d'équipement et de matériaux, ce qui a permis d'améliorer la sécurité et l'efficacité.Bien que l'excavation mécanisée au tunnelier soit souvent plus favorable pour les longs tunnels à section constante, cependant, en cas de panne du tunnelier entraînant un arrêt prolongé, l'ensemble du tunnel s'arrête alors qu'en opération de forage et de dynamitage à plusieurs caps, le la construction peut encore avancer même si l’une d’entre elles rencontre des problèmes techniques.
Lars Jennemyr est un ingénieur expert en construction de tunnels au bureau d'AECOM New York.Il possède toute une vie d'expérience dans des projets souterrains et de tunnels dans le monde entier, notamment en Asie du Sud-Est, en Amérique du Sud, en Afrique, au Canada et aux États-Unis, dans des projets de transport en commun, d'eau et d'hydroélectricité.Il possède une vaste expérience dans le creusement de tunnels conventionnels et mécanisés.Son expertise particulière comprend la construction de tunnels rocheux, la constructibilité et la planification de la construction.Parmi ses projets figurent : le métro Second Avenue, station 86th St. à New York ;le prolongement de la ligne de métro n°7 à New York ;le connecteur régional et l'extension de la ligne violette à Los Angeles ;Citytunnel à Malmö, en Suède ;le projet hydroélectrique de Kukule Ganga, au Sri Lanka ;Projet hydroélectrique d'Uri en Inde ;et le programme stratégique d'épuration des eaux usées de Hong Kong.
Heure de publication : 01 mai 2020