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Vibrations dues aux tirs

Effets sismiques de l'explosif :

Des précautions particulières doivent être prises compte tenu des vibrations engendrées par les tirs à l'explosif et se propageant sous forme d'ébranlements vers les structures avoisinantes.

Une étude effectuée par des services spécialisés permet de déterminer un seuil admissible fonction de la qualité de l'ouvrage et du terrain encaissant. Un choix judicieux des paramètres du plan de tir (quantité d'explosif, géométrie du plan de tir, retards d'amorçage) permet de respecter le niveau sismique admissible. Ces problèmes peuvent conduire au fractionnement du plan de tir prévu, voire même à l'élimination des explosifs et éventuellement à l'utilisation de machines foreuses à attaque ponctuelle ou pleine section.

Actuellement, on peut noter deux grandes tendances contraires : d’une part sous l’impulsion des entrepreneurs, il y a une volonté de réaliser moins de trous de diamètre plus grands, accueillant des charges nominales plus importantes ; d’autre part les organismes de contrôle soucieux du respect des normes et du respect de l’environnement du tunnel et de son site préconisent l’augmentation du nombre de trous de forage et donc la diminution des charges, ce qui diminue les vibrations en étalant la durée du tir.

Une partie de l'énergie explosive utilisée pour fragmenter et abattre la matrice rocheuse (environ 20 %) se propage et se dissipe dans l'environnement sous forme d'ondes vibratoires solidiennes et aériennes qui s'amortissent avec la distance.

Les structures situées à proximité des travaux peuvent être affectées par ces ondes vibratoires et présenter des risques de dommages et d'instabilité pendant la phase des travaux ou à plus long terme.

Afin d'évaluer cette sujétion et son incidence sur la réalisation des travaux, il est procédé à une étude préalable des vibrations et si besoin est des procédures de contrôles sont préconisés.

L'étude des ébranlements liés à l'utilisation des explosifs consiste schématiquement à :
- faire l'inventaire des structures ou sites naturels sensibles aux vibrations situées au voisinage de l'ouvrage à réaliser ;
- définir pour chacune des structures des seuils admissibles qui feront l'objet de clauses contractuelles ;
- établir pour le site des travaux une loi d'amortissement des vibrations engendrées par l'explosif ;
- estimer les charges maximales d'explosif à mettre en oeuvre de manière à préconiser les méthodes de terrassement adaptées et à appréhender leur incidence sur les coûts et les délais.

Des études tout à fait comparables peuvent être entreprises pour toute méthode de terrassement susceptible d'engendrer des vibrations nocives pour l'environnement (brise-roche, compacteur dynamique, machine à attaque ponctuelle, vibro-fonçage, battage de palplanches, machine foreuse pleine section, trépannage,...).

Par rapport aux tirs à l'explosif, les seuils maximaux admissibles sont généralement plus faibles pour tenir compte du caractère continu de l'oscillation ou du caractère répétitif de l'impulsion qui accroît la probabilité de dommages. Les études conduisent alors à définir les spécifications des matériels utilisés (généralement en valeur de puissance) ou à définir des distances minimales d'utilisation pour un matériel de caractéristiques données.

Les structures sensibles aux vibrations :

Par "structure", il faut entendre toute structure de génie civil allant d'un simple bâtiment à un ouvrage de génie civil exceptionnel, tels un château d'eau, un tunnel.

Les structures les plus couramment concernées sont les habitations individuelles ou collectives, les bâtiments industriels, les ponts et viaducs, les galeries techniques et ouvrages d'assainissement, les tunnels routiers ou ferroviaires. Les sites naturels sont également concernés (falaises, cavernes...).

Les équipements situés à l'intérieur de ces bâtiments ou installations doivent être également pris en considération.

Les risques étant liés directement à la proximité, l'expérience montre qu'il convient de faire un inventaire dans une bande minimum de 200 m autour de l'axe du projet. Au-delà de cette distance, les amplitudes des vibrations sont généralement très faibles mais dans un contexte géologique particulier (horizon de marnes faisant office de réflecteur par exemple) des oscillations peuvent être ressenties beaucoup plus loin (1 à 2 kilomètres).

Les seuils admissibles des vibrations:

Les seuils de vibrations maximales admissibles par une structure doivent être définis ou fixés impérativement avant l'exécution des travaux.

Ces seuils dépendent à la fois :
- du type de la sollicitation : impulsionnelle, s'il s'agit de tirs à l'explosif ; continue, dans le cas de creusement mécanisé ;
- des caractéristiques de la structure : matériaux constitutifs ; état de vétusté ; type de fondation ;
- de la qualité du massif de fondation
- de l'usage de la structure : habitation ; ouvrage d'art en exploitation.

L'expérience participe pour beaucoup dans la fixation des seuils. Quand il ne peut être tenu compte de celle-ci et que les références font défaut, leur détermination peut résulter d'essais de tirs.

En règle générale, ce seuil est une amplitude de vitesse de vibration v (mm/s) assortie d'une gamme de fréquence d'auscultation F (Hz). Ainsi, pour un tunnel rocheux non revêtu : v < 50 mm/s pour F > 150 Hz, pour un tunnel revêtu de briques de maçonnerie : v < 15 mm/s pour 20 Hz < F < 50 Hz

Il peut s'exprimer également en accélération (m/s²) pour les équipements fixes ou en déplacement (mm).

En première analyse, on s'inspirera des recommandations de l'AFTES qui intéressent essentiellement les constructions courantes à usage d'habitation :
v < 10 mm/s faible probabilité de dommages
10 mm/s < v < 30 mm/s nécessité d'un bon contrôle, probabilité accrue de réclamations
v > 30 mm/s non recommandé en zone habitée.

Ces seuils peuvent être modulés en fréquence si la gamme des fréquences dommageables est connue ou a fait l'objet d'études particulières. Les fréquences de coupure usuelles sont de 10 Hz et 100 Hz.

On pourra également se référer aux normes allemandes (DIN 4150) qui définissent un seuil en ayant comme fréquence de coupure 35 et 95 Hz.

Incidence sur les travaux :

La limitation d'utilisation des explosifs a une incidence directe à la fois sur la longueur des volées mises en oeuvre et sur la section maximale d'abattage.

Compte tenu en effet du nombre relativement limité de numéros de détonateurs à retard disponibles sur le marché, largement inférieur au nombre de mines d'un plan de tir de tunnel autoroutier (150 à 200 mines à pleine section), il s'avère souvent nécessaire de fractionner le plan de tir de manière à respecter les charges maximales instantanées. Ce fractionnement va du creusement en demi-section aux tirs en section divisée ou tirs différés.

L'adoption de telles dispositions conduit à accroître nettement les délais d'exécution et à majorer les coûts de terrassements à l'explosif.

Les techniques de tirs par amorçage séquentiel permettent dans certains cas de s'affranchir de cette contrainte de division de section, mais pas celle de limitation de longueur de volée.

La technique de l'avant-trou de la galerie pilote forée préalablement par des moyens mécanisés permet également de limiter ces contraintes de tir, avec un avant-trou faisant office de bouchon.

Ici comme ailleurs, en première approche, on pourra essayer de trouver des conditions assez semblables et travailler par analogie.

Connaissant le seuil de vitesse maximale admissible pour une structure donnée, on peut déterminer pour différentes distances la charge maximale d'explosif par numéro d'amorce et les paramètres du plan de tir (géométrie, amorçage, longueur des volées).

Pour les moyens de terrassement mécanique autre que l'explosif, il n'est pas d'usage de réaliser des essais préalables, car ces matériels résultent bien souvent d'un choix de l'entreprise chargée de la réalisation des travaux. Les fréquences émises par ces matériels sont généralement plus basses et plus nocives pour l'environnement et à ce titre les seuils de vitesses admissibles sont inférieurs.

Les contrôles de vibrations effectués en cours de travaux ont un double but :
- s'assurer qu'en tout instant les critères de vibration sont respectés et que les travaux sont exécutés en toute sécurité vis-à-vis de l'environnement ;
- affiner les prévisions et optimiser les plans de tirs à l'avancement.

Pour satisfaire ces exigences, un plan de contrôle spécifiant l'instrumentation nécessaire ainsi que l'implantation des points de mesures est établi. Il consiste à disposer des capteurs de vibration de préférence à la base des fondations de structures sensibles préalablement choisies et d'enregistrer dans les trois directions au moyen de détecteurs à valeur crête (amplitude maximale de la vibration), les ébranlements engendrés par les tirs.

L'intervention d'un laboratoire spécialisé n'est nécessaire qu'en début de chantier pour procéder à un enregistrement complet du signal vibratoire permettant de mettre au point le plan de tir ou de procéder à de profondes modifications.

Le laboratoire analyse dans un premier temps le signal temporel de la vibration permettant de déterminer le niveau d'amplitude de vibrations propres à chaque amorce du plan de tir.

Il procède également à une analyse fréquentielle de ce signal temporel par Transformée de Fourier Rapide (FFT) de façon à étudier la densité spectrale des vibrations.

extrait de [10]