Géotechnique

AUSCULTATION DU TUNNEL DE LA BRÈCHE, EN SAVOIE - <p>Installation de capteurs de convergence 4DShape dans le tunnel de Chavanne.</p>
20/04/2020

AUSCULTATION DU TUNNEL DE LA BRÈCHE, EN SAVOIE


Chute de blocs au-dessusde la galerie SNCF.
Mise en place du système d’auscultation.
Le site suite aux éboulements de terrain survenus les22 et 23 décembre 2018.
Système Cyclops et ses boîtiers d’alimentationet de transmission des données.
Système Cyclops et ses£boîtiers d’alimentationet de transmission desdonnées.
Vue de la page d’accueil des convergencessur le site internet mis à jour en temps réel.

La falaise de La Praz, au Freney, au-dessus de Saint-Michel-de-Maurienne, est connue pour son instabilité depuis de nombreuses années. Elle menace la RD 1006 et la voie SNCF. Des filets de protection avaient été mis en place en 2000. Pour minimiser l’impact des chutes de blocs et des avalanches, la voie SNCF circule en galerie à ce niveau, en prolongement d’une zone en tunnel. Une décision prise dès la construction de la voie.

Les 22 et 23 décembre 2018, deux éboulements majeurs ont endommagé les filets de protection, la couverture de la galerie SNCF et la route départementale. Cette dernière a été fermée immédiatement, et elle l’est toujours. L’autoroute A43, située quelques dizaines de mètres plus loin, est également à risque potentiel d’éclats de roche.
Après analyse par les ingénieurs géotechniques, un volume de 15 000 m3 supplémentaires de blocs instables menace de s’ébouler.
La situation est donc la suivante ; on rencontre successivement :

  • une zone instable en altitude, qui doit être purgée (déclenchement volontaire des chutes de blocs par explosifs, pour nettoyer la zone par petits éboulements successifs) ;
  • directement sous le couloir qu’empruntent les chutes de blocs, la voie SNCF Lyon-Milan dans sa galerie. L’épaisseur de terrain au-dessus de la galerie n’est pas très importante, et les éboulements de décembre 2018 ont légèrement endommagé la couverture du tunnel. Il est donc nécessaire, d’une part, d’améliorer la couverture de protection (un merlon provisoire a été mis en place), et, d’autre part, de disposer d’un dispositif d’auscultation en temps réel pour surveiller l’effet des chutes de pierre successives et assurer la sécurité du trafic. Ce dispositif est décrit en détail ci-dessous. Il permet l’exploitation de la voie SNCF pendant les travaux de sécurisation du versant, hors plages travaux aménagées pendant les tirs d’explosifs.
  • la route départementale RD 1006, immédiatement à proximité de la galerie SNCF. La route est fermée depuis décembre 2018, pour raisons de sécurité. En contrepartie, la desserte de la vallée de Maurienne est assurée via l’autoroute A43 ;
  • l’autoroute A43. Les calculs montrent que les avalanches de blocs ne peuvent l’atteindre de plein fouet, mais des éclats de roche pourraient atterrir sur la chaussée. Complexité supplémentaire : à cet endroit, l’autoroute circule sur un viaduc ;
    il n’est donc pas possible de mettre en place une protection lourde telle que du béton ou un merlon de terre. Deux niveaux de conteneurs maritimes ont été mis en place sur la chaussée la plus proche de l’éboulement. Ceux-ci offrent les avantages de « légèreté » (4 t chacun), de modularité, et de réversibilité aisée. Un mur de protection de 7 m de hauteur est ainsi mis en place. Pour assurer complètement la sécurité des circulations, le trafic autoroutier est interrompu quelques minutes pour chaque tir, le temps que la fumée se dissipe et que les agents vérifient l’absence de cailloux sur la chaussée.

 

LE SYSTÈME D’AUSCULTATION

 

Les 10 mois de travaux de purge consistent à déclencher volontairement des chutes de blocs. Pour maintenir la ligne SNCF en fonctionnement, il est nécessaire de surveiller en temps réel les éventuels impacts sur la galerie.

 

A - La première demande est de mesurer les déformations du tunnel


Un système Cyclops a été mis en place. Il s’agit d’un théodolite de haute précision motorisé, piloté par un ordinateur et un logiciel dédiés. Le logiciel gère complètement le théodolite et ses mesures, et est configuré pour garantir la qualité des mesures, comme le ferait un géomètre topographe très expérimenté. Le Cyclops vise 24h/24 et 7j/7 des cibles disposées sur la voûte du tunnel. Les cibles sont des prismes optiques de haute précision.

Après calcul, le Cyclops donne les mouvements du tunnel avec une précision inférieure à 1 mm.
Pour garantir un tel niveau de précision, de nombreuses vérifications automatiques sont programmées dans le logiciel, et sont complétées par des vérifications manuelles à distance chaque jour ouvré. Chaque jour, un ingénieur ou technicien de Sixense Soldata se connecte à chaque Cyclops en opération dans le monde, et, en quelques minutes, en vérifie les paramètres qualité afin de les affiner, si nécessaire.
Les résultats sont affichés en temps réel sur un site internet. Ainsi les agents SNCF peuvent surveiller, depuis leur bureau ou leur domicile, les mouvements de tout le tunnel avec une précision inférieure à 1 mm.
En cas de dépassement de seuils d’alarmes prédéfinis, des mails, des SMS ou des notifications sont envoyés aux personnes responsables. À réception d’une notification, chacun peut visualiser l’alerte sur son Smartphone, et analyser le graphique des évolutions instantanément simplement en inclinant le Smartphone à l’horizontale.
Souvent, dans le cadre de travaux, le même appareil est utilisé pour surveiller également les mouvements éventuels des rails. Les mouvements X, Y et Z des rails n’intéressent pas en tant que tels la SNCF. Les paramètres importants sont le devers des voies (inclinaison latérale) et surtout le gauche (variation de dévers le long de la voie). Le gauche est le principal facteur à surveiller pour assurer la stabilité des trains. Gauche et devers sont alors calculés à partir des valeurs mesurées sur des cibles fixées sur les rails. Dans le cas du tunnel de la Brèche, les sources de dommages éventuels arrivent du dessus, donc le suivi des rails n’est pas nécessaire.
Le positionnement du théodolite Cyclops dans le tunnel doit bien évidemment tenir compte du gabarit maximum des trains, c’est-à-dire la zone qui doit rester libre pour le passage des trains. Ce gabarit est défini par la SNCF en prenant en compte les données géométriques (position des rails, dimensions des trains), mais aussi dynamiques (oscillations des trains sur les voies). Ici,
l’espace hors gabarit resté libre est extrêmement réduit. Le Cyclops a été positionné à l’épaule du tunnel.
Pour suivre un tunnel avec une zone libre hors gabarit encore plus réduite, il est possible d’utiliser des capteurs nommés 4DShape. Il s’agit d’une chaîne souple comportant de très nombreux capteurs d’inclinaison (en général 6 à 9 par mètre, orientés sur 3 axes).

 

B – les ingénieurs de la SNCF souhaitent également mesurer les vibrations sur la voûte du tunnel

 

Ces vibrations, qui pourraient être causées par les chutes de blocs ou le souffle des explosions, pourraient endommager la structure du tunnel, mais aussi le matériel de voies.
Les capteurs utilisés sont des géophones triaxiaux autonomes. Ils mesurent les vibrations en X, Y et Z, et transmettent les résultats via un modem 3G.
Deux modes d’enregistrement sont préalablement configurés : par défaut, chaque capteur est paramétré pour enregistrer en continu la valeur maximale de la vitesse particulaire selon X, Y et Z, et
la valeur maximale du vecteur résultant, par période de 60 s. Les données sont envoyées au logiciel de présentation des données toutes les heures. De plus, en cas de dépassement d’un seuil prédéfini,
l’événement ayant déclenché le seuil est immédiatement enregistré en mode détaillé, permettant ainsi, d’une part, une alarme immédiate, et, d’autre part, une analyse fine ultérieure.
Les capteurs sont fixés en sous-face de la voûte du tunnel.

 

C – Enfin, étant donné la sensibilité du site et des travaux à proximité, rien ne vaut une vérification visuelle pour valider et compléter les informations des capteurs.

 

La caméra est accessible sur Internet via un modem 4G, et les fonctions de zoom et d’orientation
sont possibles à distance. Les agents SNCF peuvent ainsi contrôler de visu la situation en cas de doute, et notamment vérifier l’absence de blocs sur les voies depuis leur ordinateur ou leur Smartphone.

 

L’UTILISATION DES MESURES


Une procédure très précise a été mise au point par la SNCF et le Département pour organiser les tirs de minage. L’exploitation ferroviaire est temporairement interrompues pendant les tirs à
l’occasion de plages de travaux négociées avec les transporteurs.
Après les tirs, avant de pouvoir restituer les voies (réautoriser les circulations de trains), les agents SNCF vérifient :

 

  • que les filets détecteurs de chute de blocs n’ont pas été déclenchés. Ces filets permettent d’alerter si des blocs interceptent le périmètre ferroviaire ;
  • que ni le Cyclops ni les capteurs de vibration n’ont déclenché d’alarme ;
  • qu’il n’y a pas de blocs sur les voies, par visualisation des images vidéo en direct depuis la caméra de surveillance ;

3 seuils ont été définis sur les mouvements du tunnel : « seuil de vigilance » (10 mm), « seuil d’alerte » (20 mm) et « seuil d’arrêt » (30 à 50 mm selon la position des cibles). Sur la vibration, un seul seuil a été considéré nécessaire, dit « seuil de vigilance », à 5 mm/m.
Une procédure précise est prévue pour chaque seuil.
Le « seuil de vigilance » entraîne une analyse des données et une visite sur site sans urgence. Cette analyse est effectuée directement par les spécialistes ouvrages d’art sur le site internet sur le logiciel de présentation des données Geoscope.
Le « seuil d’alerte » déclenche en plus une visite immédiate à pied de la galerie par le personnel SNCF d’astreinte, pour recherche visuelle d’avaries (fissure, moellon décalé, etc.). En parallèle,
les spécialistes ouvrages d’art étudient les données. Selon les résultats des deux actions précédentes, une visite par les experts peut être prévue, ou une expertise dite « nationale » (par les services
techniques centraux) avec engin de visite peut être déclenchée. La fin d’alarme n’est validée que par les spécialistes ouvrages d’art de la SNCF.

Enfin, le seuil d’arrêt entraîne en plus un ordre de marche prudente à tous les trains, sur les deux voies, dans les deux sens, et une mesure du gabarit resté libre.

 

CONCLUSION


Le système de mesure installé en février 2019 a permis à la SNCF de maintenir le trafic en toute sécurité sur cette ligne stratégique d’accès à l’Italie. Joëlle Arnaud, responsable ouvrages d’art et ouvrages en terre chez SNCF Réseau Infrapole Alpes, témoigne : « Le renvoi d’alarme directement auprès de l’exploitant dans les postes de Saint-Michel-de-Maurienne et Modane est une première. Le système est intuitif : plateforme ergonomique pour suivre en direct l’auscultation, caméra orientable à distance pour vérifier l’état de la voie ferrée. Les agents se sont tout de suite approprié les outils. »
Les tirs de curage ont été terminés en août.
La plupart des tirs pendant le chantier a atteint le niveau d’alarme à 5 mm/s sur les capteurs de vibration, avec un maximum à 12 mm/s pour l’un des tirs. Ces vibrations sont plutôt liées à l’explosif lui-même et à l’effet de souffle, plutôt qu’aux blocs tombant au-dessus du tunnel, car le plan de tir était conçu pour éviter les trop gros blocs. Les mesures Cyclops de déformation du tunnel n’enregistrant pas de mouvement significatif, les voies ont systématiquement pu être rendues à temps pour la circulation des trains à vitesse normale après les tirs.
Le système de suivi est toujours opérationnel en octobre 2019. Un merlon de protection en terre est en cours de construction en surface pour la réouverture de la route départementale.

 

Martin Beth, directeur général France, DT Groupe/France CEO, groupe CTO Sixense Soldata
Joëlle Arnaud, Responsable OA/OT & Végétation, SNCF Réseau - Zone de production Sud-Est
Infrapole Alpes - Pôle Maintenance

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