Risques d'évolution
des anciennes carrières souterraines
et solutions envisageables
 

Monsieur MARTIN - Chef du service Géothermique, Société ANTEA du groupe BRGM

 

 


Le souci de ceux qui ont exploité les anciennes carrières souterraines était sans nul doute la rentabilité de leur exploitation plutôt que d'assurer la stabilité à long terme de la carrière.

Sur certains sites même, dans le cas d'exploitation par piliers tournés, les piliers ont été retaillés une seconde fois pour extraire encore un peu de matériau.

Les matériaux ayant été extraits jusqu'à la limite de stabilité des cavités, il est raisonnable de prévoir que ces anciennes exploitations souterraines évoluent plus ou moins rapidement vers leur ruine. La lente altération des matériaux est en général à l'origine de la dégradation des conditions de stabilité, également le comportement différé des matériaux soumis à des contraintes. Des facteurs extérieurs peuvent également jouer un rôle prépondérant comme les infiltrations d'eau ou les vibrations. Ils peuvent brutalement accélérer un processus de dégradation qui semblait être jusqu'alors plus ou moins stabilisé.

Après un bref aperçu des dégradations types pouvant survenir à d'anciennes carrières souterraines et des répercussions en surface associées, nous examinerons le catalogue sommaire des méthodes envisageables pour la mise en sécurité de ces sites.

Quelques éléments de réponse seront ainsi esquissés pour répondre à la question posée : "Quand vaut-il mieux combler ? Quand vaut-il mieux consolider ?".

1 - Dégradation des anciennes carrières souterraines et répercussions en surface

Plusieurs processus peuvent conduire à la ruine d'une carrière souterraine. Parmi les paramètres les plus déterminants qui influencent cette évolution, citons : les caractéristiques naturelles du massif exploité, le mode d'exploitation et la géométrie des cavités, le taux de défruitement (pourcentage des vides par rapport à la surface des pleins).

Les accidents peuvent être localisés ou généralisés, progressifs ou brutaux.

Présentons quelques cas typiques de rupture, parmi ceux rencontrés le plus fréquemment en région parisienne :

Rupture de toit :

Il s'agit des fontis. Ils naissent en général à l'intersection des galeries, là où les portées entre appuis sont les plus importantes. Cela commence par un ciel tombé, c'est-à-dire la chute d'un banc qui se détache du ciel de la cavité. Lorsque plusieurs bancs se sont ainsi détachés successivement et que la cavité est remontée dans les matériaux meubles qui surmontent la roche exploitée, on parle de cloche de fontis. La progression est alors souvent beaucoup plus rapide.

La manifestation en surface d'un tel phénomène est très variable. Le foisonnement des matériaux effondrés a tendance en effet à combler progressivement la cavité qui remonte. L'évolution du fontis est donc grandement fonction de la nature des matériaux en présence de même que du rapport entre la hauteur du recouvrement et la hauteur du vide initial (hauteur de la galerie d'exploitation). Dans certains cas la venue à jour du fontis peut donc se traduire par un effondrement brutal de plusieurs mètres de diamètre (de quelques mètres à 25 ou 30 mètres) et d'une profondeur équivalente. La cloche de fontis peut également se résorber avant d'atteindre la surface, mais dans ce cas une modification du régime des nappes souterraines ou d'autres phénomènes peuvent activer de nouveau le processus et conduire à un effondrement en surface.

Rupture des piliers :

Après l'exploitation souterraine, les charges naturelles des terrains de couverture sont reportées sur les éléments de soutènement qui subsisteront : les piliers laissés en place, dans le cas des exploitations par piliers tournés ou, dans le cas des carrières de calcaire grossier par exemple, les bourrages, les piliers à bras et les confortements maçonnés.

Pour les raisons évoquées précédemment, les sollicitations mécaniques de ces éléments de soutènement sont en général élevées avec une distribution des contraintes complexe et évolutive. Leur forte compression peut provoquer leur dégradation par écaillage, fissuration et rupture finale.

L'affaissement d'un pilier entraîne souvent une reprise des efforts par les piliers voisins qui peuvent se trouver à leur tour en limite de stabilité. Dans certaines configurations, la généralisation d'une telle situation risque d'entraîner un effondrement généralisé et brutal qui peut concerner plusieurs hectares de carrières.

Rupture du radier :

On peut considérer le radier d'une exploitation comme le massif de fondation des piliers. Ceux-ci transmettent en général des charges à la fois concentrées et élevées.

L'assise des piliers peut ainsi être défaillante de plusieurs manières : lorsqu'elle est fragilisée par un autre niveau de galeries sous-jacentes, dans le cas fréquent d'exploitation sur plusieurs niveaux, ou par des phénomènes de dissolution ou de lessivage en cas de venues d'eau ou de galeries partiellement noyées.

On observe également dans les carrières souterraines de gypse, le poinçonnement de la planche résiduelle de gypse laissé en radier, notamment lorsque celle-ci n'est pas assez épaisse. Dans ce cas le pilier s'enfonce en perdant rapidement son intégrité par expansion et écaillage. Parallèlement, on constate un soulèvement du plancher dans les galeries adjacentes, du fait du développement de coins de poussée sous le pilier et du fluage des marnes inter-bancs. On parle alors de "soufflage de mur".

La rupture du radier entraîne donc à terme la ruine du pilier, le mécanisme conduisant en général à des désordres en surface.

2 - Catalogue sommaire des techniques de mise en sécurité

On suppose identifié et évalué, au moins approximativement, l'aléa lié aux carrières souterraines. L'objectif est de définir la stratégie et les méthodes de prévention les mieux adaptées au problème.

On reprendra, dans l'exposé qui suit, le schéma retenu à l'issue du séminaire sur les carrières souterraines abandonnées de Nainville-les-Roches (décembre 1993) : Atelier nº 2, stratégies et méthodes de prévention.
Parmi les techniques de prévention dites actives, deux stratégies se présentent, en première analyse : combler les vides ou consolider les cavités.

Les techniques de prévention dites passives consistent à agir sur l'ouvrage à protéger, et non pas sur les cavités souterraines.

Enfin, on évoquera les techniques de suppression du vide souterrain.

2.A - TECHNIQUES DE PREVENTION ACTIVES

Elles consistent à intervenir au niveau des cavités pour éviter leur effondrement.

Consolidation de la cavité

1 - Renforcement des piliers existants

Le renforcement des piliers est une technique surtout utilisée lorsque l'on souhaite conserver l'usage d'une cavité.

On utilise en général la combinaison du béton projeté et du boulonnage. Le frettage des piliers par des câbles ou des barres métalliques est quelquefois employé.

La réparation des piliers fortement endommagés (en post-rupture) est délicate. On pourra utiliser dans ce cas un chemisage en béton armé ou une virole métallique remplie depuis la surface par un coulis fluide.

2 - Construction de piliers en maçonnerie

Le principe est de transmettre le poids des terrains sous-jacents et des surcharges éventuelles au plancher de la carrière.

La surface totale de piliers est fonction de la charge qu'ils ont à supporter. Les piliers de renforcement doivent représenter au minimum 20% de la surface de la construction projetée, de laquelle on peut déduire les piliers tournés existants.

Pour être efficace, un pilier de renforcement doit avoir une déformabilité voisine de celle des piliers en matériau naturel laissés par l'exploitation. Les matériaux utilisés en général sont les moellons ou les parpaings pleins liés au mortier de ciment. L'IGC de Paris exige une résistance à l'écrasement d'au moins 6 MPa.

Les dimensions demandées pour les carrières de Calcaire grossier en région parisienne sont les suivantes :

Une attention doit être portée au sol support (ce doit être le terrain en place, non remanié) et au matage sous le ciel (clavage au mortier, après durcissement du mortier d'assemblage du pilier).

La carrière doit évidemment être accessible, ou rendue telle avec des conditions minimales de sécurité.

Le coût est élevé en général (beaucoup de main d'oeuvre) : entre 1000 et 1600F le m3 de pilier maçonné suivant les conditions d'accès. Ramené au m2 de construction en surface le coût peut varier entre 1500 et 4500F le m2.

3 - Boulonnage du toit

Le principe est d'armer et de rendre monolithique la masse rocheuse en ciel pour la rendre capable de reporter le poids des terres sur les piliers ou sur les flancs des galeries.

C'est notamment le cas d'un toit lié en bancs horizontaux.

Il convient de tenir compte de la corrosion pour le dimensionnement du boulonnage : surdimensionnement du diamètre des boulons métalliques ou adoption de boulons en fibre de verre.

Cette solution convient bien aux carrières occupées puisque les volumes restent vides.

En fonction de la densité du boulonnage nécessaire (nombre de boulons au mètre carré) et de leur longueur, les prix peuvent varier grandement. Lorsqu'elle est applicable, c'est une solution économique (ordre de grandeur de 350F TTC le mètre linéaire de boulon fourni, posé).

4 - Mise en place de plots en coulis ou mortier depuis la surface

Deux variantes :

5 - Béton projeté

Le béton projeté s'emploie lorsque la roche est sujette à altération ou à desquamation : gypse, craie.... Il s'applique au ciel ou sur les piliers. Il s'utilise en général avec pose d'un treillis soudé. L'épaisseur est de l'ordre de 15 cm.

Coût : 200 à 500 F TTC par m2 suivant les sujétions de mises en oeuvre.

Stabilisation par comblement

1 - Remblaiement total

Le principe est de supprimer l'essentiel du vide souterrain par mise en place de matériaux sans liant hydraulique. Ces matériaux peuvent être variés et fonction des opportunités : déblais criblés, terres de fouille en provenance de gros chantiers voisins, stériles miniers ...etc.

La mise en place s'effectue :

Il se forme un vide résiduel après tassement : le clavage est nécessaire si l'on prévoit une construction au dessus. Le clavage est réalisé à l'aide d'un coulis de ciment mis en oeuvre à travers des forages disposés entre les puits de déversements, après essorage des matériaux. En cas de recherche d'une stabilisation totale en surface, il convient de sélectionner le matériau de comblement et son mode de mise en fonction du tassement différé attendu.

Le clavage apparaît donc facultatif pour les espaces verts : on peut tolérer un vide résiduel de l'ordre de 1/15 de la hauteur du recouvrement.

Le coût est très variable en fonction des quantités et des opportunités de matériaux disponibles :

2 - Remblaiement partiel :

Le principe est d'assurer un certain frettage des piliers à leur base, là où ils sont le plus fragile en général, dans le cas de carrières de gypse. Cette disposition réduit leur élancement et augmente leur résistance.

Ce traitement a également pour effet de charger le radier et de s'opposer ainsi à son soulèvement lorsqu'il y a risque de "soufflage du mur".

3 - Injection par forages :

Ce mode de comblement est adapté aux carrières inaccessibles.

Les matériaux injectés sont des sablons ou des cendres volantes traitées au ciment (quelquefois non traitées, dans le cas d'espaces verts en surface, auquel cas il convient de s'assurer que les matériaux ne risquent pas d'être entraînés par des circulations d'eau).

Il convient de s'assurer de la comptabilité des matériaux injectés vis-à-vis des contraintes environnementales.

Il faut au préalable établir un barrage pour circonscrire la zone à traiter. L'injection se déroule ensuite en deux phases : emplissage gravitaire puis clavage (coulis plus riche en ciment).

Les caractéristiques mécaniques du coulis doivent être adaptées : l'ICG de Paris demande des résistances à 90 jours de 2 à 2,5 MPa pour des espaces verts en surface, de 4,5 à 5 MPa dans le cas de constructions.

Un ordre de grandeur pour la densité des forages d'injection est donné par les maillages ci-après : 3x3 m ou 4x4 m sous une construction, 5x5 m à 6x6 m sous une voirie et en périphérie de construction, 8x8 m à 10x10 m sous un espace vert.

La pression d'injection est faible, de façon à éviter de causer des désordres au voisinage : 0,1 à 0,3 MPa.

Le coût est très variable selon les chantiers. Il est fonction du dosage en ciment des coulis, des quantités mises en oeuvre, des facilités d'approvisionnement.

On ne peut donner qu'une fourchette : 200 à 1500F par m3 de matériau injecté.

Un cas particulier est le traitement d'une zone effondrée. Deux parties doivent être traitées :

2.B - TECHNIQUES DE PREVENTION PASSIVES

Ce sont des actions au niveau de la construction ou de sa fondation destinées à la rendre insensible aux dégradations dues à l'évolution de la cavité. Ces techniques sont utilisées dans le cas de carrières inaccessibles ou considérées comme telles en raisons de conditions de sécurité insuffisantes et possédant un recouvrement d'épaisseur suffisante. Elles s'appliquent essentiellement aux constructions et ouvrages neufs.

1 - Renforcement de la structure d'une construction

Le principe est de rendre la construction quasi-monolithique : chaînages, fondations superficielles renforcées. Les fondations sont calculées pour répondre à une condition de fontis définie selon l'expérience locale.

Cette solution est en principe réservée aux cas de petits vides dont la répartition est inconnue : karst, marnières, sapes, sites imparfaitement remblayés, foisonnés ou décomprimés.

2 - Réalisation de fondations profondes

Le principe consiste à reporter la surcharge au-dessous du niveau des carrières au moyen de puits ou de pieux. Il faut évidemment vérifier qu'il n'y a pas d'autres niveaux exploités sous la pointe des pieux de fondation.

Il y a nécessité de ceinturage des pieux ou de chemisage, à la traversée de la cavité.

On notera que la réalisation de fondations profondes n'empêche pas la remontée des fontis, avec les conséquences évidentes : danger aux abords de la construction, désordres dans les caves et les sous-sols, possibilités de frottement négatif ou d'efforts horizontaux sur les pieux qui doivent être armés,

On pourra donc jumeler cette solution avec un remplissage ou des renforcements ponctuels.

3 - Adaptation des réseaux souterrains

L'objectif est de limiter les risques de rupture et en particulier d'éviter les fuites d'eau qui peuvent accélérer le processus de dégradation d'une cavité.

On procédera soit par renforcement, soit en utilisant des raccords souples et déformables.

4 - Adaptation de la voirie

Le renforcement de la structure de chaussée par des nappes de géotextiles réduit la déformation et donc limite le risque d'accident, mais n'évite pas certains désordres.

Cette méthode est utilisée lorsque les vides sont soupçonnés mais non identifiés et localisés.

2.C - TECHNIQUES DE SUPPRESSION DU VIDE SOUTERRAIN

1 - Foudroyage

Le foudroyage est un procédé courant dans les mines.

Pour les carrières, il se révèle bien adapté lorsqu'il est prévu dès l'exploitation (géométrie régulière des piliers notamment) : c'est l'affaissement dirigé.

Même dans ce cas là, il peut subsister quelques vides résiduels. Par ailleurs le sol est très remanié et le terrain n'est pas considéré comme constructible. L'utilisation en espaces verts, en revanche, est tout à fait possible.

Dans le cas de carrières accessibles, mais non conçues à l'origine pour cette technique, la prudence s'impose et dans la plupart des cas un traitement des vides résiduels sera nécessaire. Pour les carrières non accessibles, le résultat est trop aléatoire.

2 - Terrassement de la cavité

La technique consiste à mettre à jour la cavité par terrassement et de procéder à un remblaiement avec compactage.

C'est une solution possible lorsque la carrière est à faible profondeur.

3 - Critères de choix d'une solution

Parmi les différentes techniques de prévention disponibles, le choix d'une solution sera guidé par un certain nombre de données, regroupées ci-dessous en cinq familles, pour lesquelles les principales questions à se poser sont présentées.

Il faut insister sur le fait qu'une bonne reconnaissance des terrains et des vides est une condition indispensable pour que le géotechnicien puisse utilement contribuer au choix optimal.

Aménagements actuels ou prévus

Objectifs de sécurité recherchés

Données du site naturel

Contraintes pour les travaux de prévention

Enveloppe financière disponible ?

On n'insistera pas sur le problème du coût, si ce n'est pour souligner que la plupart des solutions de mise en sécurité d'une maison individuelle sont trop onéreuses pour pouvoir être acceptées et mises en oeuvre. La seul reconnaissance par forage (deux forages à 30 m de profondeur par exemple) est bien souvent trop lourde à supporter pour un propriétaire individuel.

Conclusions

Le choix d'une solution ou d'une stratégie de mise en sécurité, on le voit, est du ressort d'un homme de l'art qui devra tenir compte, dans ses propositions, des objectifs et des contraintes énoncées par le propriétaire des lieux (Maître d'Ouvrage). Le projet final d'aménagement, quant à lui, pourra utilement tenir compte des contraintes et des ressources du site, telles qu'elles apparaîtront à l'issue des opérations de reconnaissance.

Le projet d'aménagement et de mise en sécurité d'un secteur sous-miné par d'anciennes carrières souterraines passe donc en général par plusieurs phases interactives entre aménageur et géotechnicien.

La remarque d'ordre financier, présentée ci-dessus à l'échelle d'un particulier, s'applique également à l'échelle d'une propriété foncière plus importante, voire d'une commune. La qualité du diagnostic et l'analyse du risque revêtent alors toute leur importance.

Un diagnostic fiable associé à une procédure de surveillance du site constitue, vis-à-vis d'un risque naturel, une stratégie d'attente intéressante : les mesures apportant une solution ne sont pas prises immédiatement, mais reportées en fonction du risque.

C'est la procédure qui permet d'échelonner et de planifier le coût des travaux et de gérer ainsi au mieux l'aléa que constituent les carrières souterraines abandonnées.