Aux États-Unis, on qualifiait autrefois le creusement de tunnels par forage et dynamitage de « creusement conventionnel », ce qui, je suppose, laissait le creusement de tunnels par tunnelier ou autres moyens mécanisés sous le terme de « creusement non conventionnel ». Cependant, avec l’évolution de la technologie des tunneliers, le creusement de tunnels par forage et dynamitage devient de plus en plus rare et, par conséquent, il serait peut-être judicieux d’inverser la terminologie et de commencer à parler de « creusement non conventionnel » pour ce type de creusement.
Le forage et le dynamitage restent la méthode la plus courante dans l'industrie minière souterraine, tandis que le creusement de tunnels pour les projets d'infrastructure se mécanise de plus en plus à l'aide de tunneliers ou d'autres méthodes. Cependant, pour les tunnels courts, les grandes sections, la construction de cavernes, les croisements, les passages transversaux, les puits, les conduites forcées, etc., le forage et le dynamitage sont souvent la seule solution envisageable. Cette méthode offre également une plus grande flexibilité pour s'adapter à des profils variés, contrairement au tunnelier qui produit toujours une section circulaire, notamment pour les tunnels routiers, ce qui entraîne un surcreusement important par rapport à la section requise.
Dans les pays nordiques, où la formation géologique des ouvrages souterrains est souvent constituée de granit et de gneiss durs et compacts, l'exploitation par forage et dynamitage se prête particulièrement bien à des méthodes efficaces et économiques. Par exemple, le métro de Stockholm est généralement composé d'une surface rocheuse apparente, construite par forage et dynamitage, puis recouverte de béton projeté comme revêtement final, sans aucun revêtement coulé en place.
Actuellement, le projet d'AECOM, la rocade de Stockholm, qui comprend 21 km d'autoroute dont 18 km souterrains sous l'archipel ouest de Stockholm, est en construction (voir figure 1). Ces tunnels, à sections variables pour accueillir trois voies dans chaque sens et des bretelles d'accès et de sortie, sont construits selon la technique du forage et du dynamitage. Ce type de projet reste compétitif grâce à la géologie favorable et à la nécessité de sections variables pour s'adapter aux contraintes d'espace. Pour ce projet, plusieurs rampes d'accès ont été aménagées afin de diviser les longs tunnels principaux en plusieurs galeries, ce qui permettra de réduire la durée totale d'excavation. Le soutènement initial du tunnel est constitué de boulons d'ancrage et de béton projeté de 10 cm. Le revêtement final, composé d'une membrane d'étanchéité et de béton projeté de 10 cm, est suspendu par des boulons espacés d'environ 1,20 m x 1,20 m, installés à 30 cm de la surface rocheuse revêtue de béton projeté, assurant ainsi l'étanchéité à l'eau et au gel.
La Norvège est encore plus extrême en matière de forage et de dynamitage, et a perfectionné au fil des ans les méthodes de cette technique. Compte tenu du relief montagneux du pays et des longs fjords qui le traversent, la construction de tunnels sous les fjords, pour les routes et les voies ferrées, est essentielle et permet de réduire considérablement les temps de trajet. La Norvège compte plus de 1 000 tunnels routiers, un record mondial. Elle abrite également d'innombrables centrales hydroélectriques dotées de conduites forcées et de puits construits par forage et dynamitage. Entre 2015 et 2018, la Norvège a réalisé à elle seule environ 5,5 millions de mètres cubes de roche souterraine par cette méthode. Les pays nordiques ont perfectionné le forage et le dynamitage et ont diffusé ses technologies et ses avancées à travers le monde. En Europe centrale, et notamment dans les pays alpins, le forage et le dynamitage restent une méthode compétitive pour le creusement de tunnels, malgré leur grande longueur. La principale différence avec les tunnels nordiques réside dans le fait que la plupart des tunnels alpins sont revêtus d'un béton coulé en place.
Dans le nord-est des États-Unis et dans la région des montagnes Rocheuses, les conditions sont similaires à celles des pays nordiques : la présence d’une roche dure et résistante permet un recours économique au forage et au dynamitage. On peut citer comme exemples le métro de New York, le tunnel Eisenhower au Colorado et le tunnel du mont McDonald dans les Rocheuses canadiennes.
Des projets de transport récents à New York, tels que le métro de la Deuxième Avenue récemment achevé ou le projet East Side Access, ont combiné des tunnels creusés par des tunneliers avec des cavernes de station et d'autres espaces auxiliaires réalisés par forage et dynamitage.
L'utilisation des foreuses jumbo a évolué au fil des ans, passant des foreuses portatives primitives ou des foreuses jumbo à un seul bras aux foreuses jumbo à bras multiples auto-foreuses informatisées, où les schémas de forage sont intégrés à l'ordinateur de bord, permettant un forage rapide et de haute précision selon un schéma de forage prédéfini et calculé avec précision (voir Fig. 2).
Les foreuses jumbo de pointe sont disponibles en version entièrement automatisée ou semi-automatisée. Dans le premier cas, une fois le forage terminé, la foreuse se repositionne automatiquement vers le foret suivant et commence le forage sans intervention de l'opérateur. Dans le second cas, l'opérateur déplace la foreuse d'un foret à l'autre. Ce système permet à un seul opérateur de manœuvrer efficacement des foreuses jumbo à trois bras maximum grâce à l'ordinateur de bord (voir Fig. 3).
Grâce au développement des perforatrices à percussion d'une puissance de 18, 22, 30 et jusqu'à 40 kW, et des foreuses haute fréquence équipées de goulottes pouvant contenir des tiges de forage jusqu'à 6 mètres (20 pieds), ainsi qu'à l'utilisation du système automatisé d'ajout de tiges (RAS), la vitesse et l'avancement du forage ont considérablement progressé. On atteint ainsi des vitesses d'avancement réelles allant jusqu'à 5,5 mètres (18 pieds) par cycle et une vitesse de forage de 2,4 à 3,7 mètres par minute (8 à 12 pieds/min), selon le type de roche et la foreuse utilisée. Une foreuse jumbo automatisée à trois bras peut forer de 244 à 366 mètres par heure (800 à 1200 pieds/h) avec des tiges de forage de 6 mètres (20 pieds). L'utilisation de ces tiges nécessite une largeur minimale de tunnel (environ 7,6 mètres ou 25 pieds) pour permettre le forage de boulons d'ancrage perpendiculairement à l'axe du tunnel avec le même équipement.
Une innovation récente consiste à utiliser des jumbos multifonctionnels suspendus à la voûte du tunnel, permettant ainsi de réaliser simultanément plusieurs opérations telles que le forage et le déblaiement. Le jumbo peut également servir à la pose de poutres treillis et à la projection de béton. Cette approche permet de chevaucher les opérations séquentielles de creusement de tunnel, ce qui engendre un gain de temps considérable. Voir figure 4.
L'utilisation d'émulsion en vrac pour le chargement des trous à partir d'un camion de chargement séparé, lorsque la foreuse jumbo est utilisée pour plusieurs fronts de taille, ou comme fonctionnalité intégrée à la foreuse jumbo lors du creusement d'un seul front de taille, se généralise, sauf restrictions locales. Cette méthode est couramment employée dans diverses régions du monde ; deux ou trois trous peuvent être chargés simultanément. La concentration de l'émulsion peut être ajustée en fonction des trous concernés. Les trous de coupe et les trous de fond sont généralement chargés à 100 % de concentration, tandis que les trous de contour sont chargés à une concentration beaucoup plus faible, d'environ 25 %. (Voir figure 5)
L'utilisation d'émulsion en vrac nécessite un amorceur, c'est-à-dire un bâtonnet d'explosif conditionné, qui, avec le détonateur, est inséré au fond des trous et sert à enflammer l'émulsion injectée dans le trou. L'utilisation d'émulsion en vrac réduit le temps de chargement global par rapport aux cartouches traditionnelles : 80 à 100 trous par heure peuvent être chargés à partir d'un camion équipé de deux pompes de chargement et de nacelles pour une ou deux personnes permettant d'atteindre la section transversale maximale. Voir Fig. 6
L'utilisation de chargeuses sur pneus et de camions reste la méthode la plus courante pour le déblaiement des déblais, en combinaison avec le forage et le dynamitage, dans les tunnels accessibles par galerie. En cas d'accès par puits, les déblais sont généralement transportés par chargeuse sur pneus jusqu'au puits, puis remontés à la surface pour être acheminés vers la zone de stockage final.
L'utilisation d'un concasseur au front de taille du tunnel pour broyer les plus gros fragments de roche et permettre leur transport par un convoyeur vers la surface est une autre innovation développée en Europe centrale, notamment pour les longs tunnels alpins. Cette méthode réduit considérablement le temps de déblais, en particulier pour les longs tunnels, et supprime la présence de camions dans le tunnel, améliorant ainsi les conditions de travail et réduisant les besoins en ventilation. Elle libère également le radier du tunnel pour les travaux de bétonnage. Elle présente un avantage supplémentaire si la roche est d'une qualité suffisante pour la production de granulats. Dans ce cas, la roche concassée peut être traitée de façon minimale pour d'autres usages, tels que la fabrication de granulats pour béton, de ballast ferroviaire ou de revêtements de chaussée. Afin de réduire le délai entre le dynamitage et l'application du béton projeté, notamment lorsque le temps de prise est limité, une première couche de béton projeté peut être appliquée au toit avant le déblais.
Lors de l'excavation de grandes sections transversales dans des conditions rocheuses difficiles, la méthode de forage et de dynamitage permet de diviser le front de taille en plusieurs galeries et d'appliquer la méthode d'excavation séquentielle (MES). Une galerie pilote centrale suivie de galeries latérales décalées est fréquemment utilisée dans la MES pour le creusement de tunnels, comme illustré sur la figure 7 pour l'excavation de la galerie supérieure de la station 86th Street sur le projet de métro de la Deuxième Avenue à New York. La galerie supérieure a été excavée en trois galeries, puis deux excavations de banquettes ont été réalisées pour compléter la section transversale de la caverne de 18,3 m de large sur 15,2 m de haut.
Afin de minimiser les infiltrations d'eau dans le tunnel pendant le creusement, on recourt souvent à l'injection de coulis avant excavation. Cette injection est obligatoire en Scandinavie pour répondre aux exigences environnementales relatives aux infiltrations d'eau dans le tunnel et minimiser ainsi l'impact des travaux sur le régime hydrique en surface ou à proximité. L'injection avant excavation peut être réalisée pour l'ensemble du tunnel ou pour des zones spécifiques où la nature de la roche et le régime hydrique nécessitent un traitement par injection afin de réduire les infiltrations d'eau à un niveau acceptable, comme dans les zones de failles ou de cisaillement. Dans le cas d'une injection avant excavation sélective, 4 à 6 sondages sont effectués. En fonction de la quantité d'eau mesurée dans ces sondages et du seuil d'injection défini, l'injection est réalisée à l'aide de coulis de ciment ou de coulis chimiques.
Normalement, un système d'injection de coulis avant excavation comprend 15 à 40 forages (de 21 à 24 m de long) réalisés en avant du front de taille et injectés avant l'excavation. Le nombre de forages dépend de la taille du tunnel et de la quantité d'eau prévue. L'excavation est ensuite effectuée en ménageant une zone de sécurité de 4,5 à 6 m au-delà du dernier forage, avant le prochain sondage et l'injection de coulis avant excavation. L'utilisation du système automatisé d'ajout de barres (RAS), mentionné précédemment, simplifie et accélère le forage des sondages et l'injection de coulis à une vitesse de 90 à 120 m/h. L'injection de coulis avant excavation est plus facile et plus fiable avec la méthode de forage et de dynamitage qu'avec un tunnelier.
La sécurité dans le creusement de tunnels par forage et dynamitage a toujours été une préoccupation majeure, nécessitant des mesures de sécurité spécifiques. Outre les problèmes de sécurité traditionnels liés au creusement de tunnels, la construction par forage et dynamitage présente des risques supplémentaires au front de taille, notamment lors du forage, du chargement, du déblaiement et du déblais, risques qui doivent être pris en compte et planifiés. Grâce aux progrès technologiques dans les techniques de forage et de dynamitage et à l'application d'une approche de réduction des risques, la sécurité dans le creusement de tunnels s'est considérablement améliorée ces dernières années. Par exemple, l'utilisation de foreuses jumbo automatisées, dont le plan de forage est chargé sur l'ordinateur de bord, permet de se passer de personnel à proximité de la cabine de la foreuse, réduisant ainsi l'exposition potentielle des travailleurs aux dangers et renforçant leur sécurité.
Le système automatisé d'ajout de barres d'armature (RAS) constitue probablement le meilleur atout en matière de sécurité. Principalement utilisé pour le forage de trous profonds lors des opérations de pré-excavation et de forage de sondage, ce système permet d'automatiser entièrement le forage d'extension depuis la cabine de l'opérateur, éliminant ainsi les risques de blessures (notamment aux mains). Auparavant, l'ajout de barres d'armature était effectué manuellement, exposant les travailleurs à des risques de blessures. Il convient de noter que la Société norvégienne des tunnels (NNF) a publié en 2018 sa publication n° 27 intitulée « Sécurité dans le forage et le dynamitage de tunnels en Norvège ». Cette publication présente de manière systématique les mesures relatives à la santé, à la sécurité et à la gestion environnementale lors du forage et du dynamitage de tunnels, et propose des bonnes pratiques aux employeurs, aux chefs de chantier et aux ouvriers du bâtiment. Reflet des dernières avancées en matière de sécurité dans ce domaine, elle est téléchargeable gratuitement sur le site web de la Société norvégienne des tunnels : http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/
L'utilisation judicieuse du forage et du dynamitage, même pour les longs tunnels, avec la possibilité de les diviser en plusieurs galeries, reste une alternative viable. Des progrès significatifs ont été récemment réalisés en matière d'équipements et de matériaux, ce qui a permis d'améliorer la sécurité et l'efficacité. Bien que l'excavation mécanisée à l'aide de tunneliers soit souvent préférable pour les longs tunnels à section constante, une panne du tunnelier entraînant un arrêt prolongé paralyse l'ensemble du chantier. En revanche, avec le forage et le dynamitage à plusieurs galeries, la construction peut se poursuivre même en cas de problème technique sur une galerie.
Lars Jennemyr est ingénieur expert en construction de tunnels au sein du bureau d'AECOM à New York. Fort d'une longue expérience dans les projets souterrains et de tunnels à travers le monde, notamment en Asie du Sud-Est, en Amérique du Sud, en Afrique, au Canada et aux États-Unis, il a travaillé sur des projets de transport, d'adduction d'eau et d'hydroélectricité. Il possède une vaste expérience en matière de tunnelage conventionnel et mécanisé. Son expertise particulière porte sur la construction de tunnels en roche, la faisabilité et la planification des travaux. Parmi ses projets figurent : le métro de la Deuxième Avenue, station 86e Rue à New York ; le prolongement de la ligne 7 du métro à New York ; le Regional Connector et le prolongement de la Purple Line à Los Angeles ; le Citytunnel de Malmö, en Suède ; le projet hydroélectrique de Kukule Ganga au Sri Lanka ; le projet hydroélectrique d'Uri en Inde ; et le système stratégique d'assainissement de Hong Kong.
Date de publication : 1er mai 2020