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M
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
Résumé Afin d’améliorer la qualité d’eau de la Vilaine, la Ville de Rennes a lancé la construction d’un stockage de3 300 m3 sous la forme d’un collecteur linéaire de 1 340 mètres et de diamètre intérieur 1 800 mm. La technique retenue pour ce chantier est celle du microtunnelage avec comme particularité sa réalisation enseulement deux tirs courbes de grande longueur (565 m et 775 m). Pour répondre à ce défi technique, leService des Travaux Spéciaux de la SADE a mobilisé un de ses ateliers complet de microtunnelage, en l’occurrence une machine Herrenknecht AVN1600TC, complétée d’une logistique comprenant les organesde poussée (station télescopique, stations intermédiaires) et le traitement du marinage (dessableur-dessilteurassocié à une centrale de floculation et centrifugeuse), adaptés aux données géologiques du sous-sol rennais.En cours de chantier, ces équipements se sont révélés indispensables pour faire face aux fortes fluctuationsgéologiques (granulométrie, collage du terrain, pression) rencontrées en cours de terrassement.
Collecteur Maginot - Rennes2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier
M
Principaux intervenants
• Maître d’ouvrage : Ville de RENNES
• Maître d’œuvre : RENNES Métropole - Direction des Infrastructures et des Equipements
• Groupement d’Entreprises : - Mandataire et Direction Technique :
SADE Service Travaux Spéciaux - Co-traitant : SMCE Réha - Fournisseur des tuyaux : HOBAS
Le projet-
Dans le cadre du 2ème plan pluriannuel d’assainis-
sement, la Ville de Rennes (35) a confié au Service
Travaux Spéciaux de la SADE la réalisation d’un
collecteur de stockage DN1800 mm de 1 340 m
sous l’avenue Sergent Maginot en plein cœur de
Rennes. Cet ouvrage participera à l’amélioration
de la qualité des eaux de surface de la Vilaine en
Descente du microtunnelier AVN 1600 TC.
Damien MaitreSADE STS
Pascal LaconoSADE STS
M CHANTIERSMaginot - Rennes water storage micro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine ] M477
collectant par temps sec les eaux usées du secteur
Nord Est de Rennes, et par temps de pluie les eaux
pluviales. Le volume de stockage disponible de
3 300 m3 permettra de réguler le débit en aval et
ainsi d’éviter des rejets trop fréquents vers le milieu
récepteur. Après la vidange du stockage, les dépôts
résiduels seront éliminés à l’aide d’un système de
nettoyage automatique. Cet équipement, situé dans
la partie amont du collecteur, créera, en position
fermée, une mise en charge du collecteur. Puis
une ouverture rapide relarguera brusquement cette
retenue d’effluents qui provoque un phénomène de
chasse dans le collecteur.
Les travaux prévus au marché comprennent
la pose par microtunnelier d’une canalisation de
diamètre intérieur de 1 800 mm en PRV (Polyester
Renforcé de Verre centrifugé) sur un linéaire de
1 340 mètres ainsi que la réalisation d’ouvrages
annexes (stations de refoulement, de nettoyage et
de désodorisation).
470 M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
présence de la nappe phréatique) qui auraient
rendu très délicats les travaux à ciel ouvert.
Réalisation du collecteur : 2 tirs-courbes de grande longueur-pour minimiser l’impact-des travaux-
Afin de réduire à son strict minimum l’impact des
travaux, la réalisation des 1 340 mètres de collec-
teur se fait en seulement deux tirs courbes de
grandes longueurs (565 m et 775 m). Il est à noter
que ces 2 tirs sont à ce jour les records français de
longueur de tronçons réalisés par microtunnelier
avec des tuyaux PRV de ce diamètre.
En surface, il n’y aura donc eu au final que 3 zones
ponctuelles de travail pour les travaux de microtunne-
lier : un puits de travail central lieu de départ commun
des 2 tirs, et deux puits de sortie à chaque extrémité.
Pour répondre à ce défi technique, le Service des
Travaux Spéciaux de la SADE a mobilisé un de ses
ateliers complet de microtunnelage, en l’occurrence
une machine Herrenknecht AVN1600TC, complétée
d’une logistique comprenant les organes de poussée
et le traitement du marinage adaptée aux données
géologiques du sous-sol rennais.
Contexte géologique-
Le tracé du collecteur fluctue entre les cotes 19 et
21.7 NGF (soit une profondeur moyenne de 7,0 m)
et intercepte les formations suivantes :
• Les schistes altérés constitués de blocs et
cailloutis de schistes à matrices argilo limoneuse
• Le substratum schisto-gréseux (positionné à
l’affleurement du radier de l’ouvrage) formé de
schiste et de grès plus ou moins fragmenté
Une nappe phréatique est présente à une profon-
deur moyenne de 3 m.
Les principaux choix-techniques-
La réalisation de ce stockage sous la forme linéaire
d’un collecteur a été imposée par la densité urbaine
du centre ville de Rennes qui ne permettait pas
d’envisager un bassin de stockage « classique » qui
aurait nécessité une surface foncière importante.
Matériel de poussée-
Pour le creusement, les efforts à reprendre sont de
deux types :
• la force de poussée P à exercer sur le sol par la
tête du microtunnelier afin de permettre l’exca-
vation et l’avancement
• les efforts de frottement F exercés par le sol sur
les tuyaux mis en place. Ces derniers sont direc-
tement liés à la longueur du tronçon à foncer et il
est aisément compréhensible que plus le tronçon
réalisé est long, plus ces efforts seront importants.
Ces forces de frottement peuvent être décompo-
sées en deux : un frottement dynamique correspon-
dant aux frottements lors des phases dynamiques
d’avancement du fonçage et un frottement statique
qui est lié aux phénomènes de recompression du
terrain lors des phases d’arrêt. Dépendant de nom-
breux paramètres : caractéristiques du terrain (cohé-
sion, aspect “collant”, etc.), de la surcoupe, de
l’efficacité des injections de lubrification etc., ces
forces linéaires de frottement sont très difficiles à
déterminer par le calcul. Cependant des règles
empiriques établies grâce à l’expérience des chan-
tiers réalisés nous permettent d’estimer ces frotte-
ments en fonction des types de terrain à excaver. De
même la force de poussée P à exercer sur la tête,
directement liée à la qualité du terrain rencontré
ainsi qu’à la géométrie et aux outils de la roue de
coupe est, elle aussi, très complexe à modéliser.
Pour les besoins du projet et garantir ainsi les pres-
sions de poussée nécessaire au bon déroulement
des travaux, deux organes supplémentaires ont été
mis en place en complément du bâti principal de
poussée présent dans le puits de travail :
• une station télescopique (4 vérins de 125 t
unitaire soit 500 t de poussée disponible) située
juste derrière la machine. Cette station a unique-
ment pour but d’exercer la poussée P nécessaire
à l’avancement du microtunnelier.
CHANTIERS M
[ Collecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier
Vue schématique 3D du projet.
Sortie de la machine - Tronçon N°1.
Poste de pilotage : Gestion des paramètres. Station de poussée télescopique.
Le choix de la technique du microtunnelier fait par
la Ville de Rennes répond à une volonté de minimi-
ser l’impact des travaux dans une zone urbaine
dense (circulation, voisinage, bruit…) mais a
surtout été contraint par les caractéristiques tech-
niques du projet (profondeur importante (7 m) et
471
M
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
La gamme de tubes microtunnel HOBAS présente
une résistance à la compression longitudinale
minimale garantie de 90N/mm2. Ainsi, la force de
poussée avant rupture (poussée uniformément
répartie sur about - figure a) est de 2800 t pour le
DN 1800/1940 Ep. 77mm. La force de poussée
admissible avec un coefficient de répartition 2
(poussée excentrique en contact sur la surface
complète de l’about – figure b) et un coefficient de
sécurité de 1,75 soit 2 x 1,75 = 3,5 selon règles
DIN est de : 800 t pour le DN 1800/1940 Ep. 77mm.
Soumis à des efforts de poussée un tube HOBAS
présente un comportement linéaire élastique dans
la limite d’une déformation de ± 0,5%. Cette carac-
téristique apporte des avantages certains pour la
réalisation de ce type de projet. En effet, il n'est pas
nécessaire d'utiliser des anneaux en bois pour le
transfert de poussée entre tubes PRV. De plus le
tube reprend sa forme initiale après effort, ce que
le bois ne peut réaliser, en particulier en présence
d’eau. Enfin, la déformation temporaire du tube
sous poussée excentrique, permet aux trains de
tubes HOBAS de suivre une courbe imposée par le
microtunnelier en maintenant un contact maximun
sur la surface des abouts PRV/PRV et donc sans
réduction de poussée admissible. Ainsi le rayon de
courbure minimal réalisable sans réduction de
poussée pour les tubes du projet DN1800/1940 Ep.
77 mm en longueur unitaire de 3m est de 680m
(équivalent à une déviation angulaire de 0,25° entre
tubes), ce qui est bien plus sévère que les courbes
réalisées sur ce chantier (900 et 1000 m) et de la
déviation angulaire
maximale admissible
du système d’étan-
chéité HOBAS (0,5°
avec cœfficient de
sécurité de 2).
• des stations intermédiaires (par station : 14 vérins
de 77 t unitaire soit 1 078 t de poussée disponible)
positionnées à espace régulier dans le tronçon en
cours de creusement. L’utilisation de ces stations
permet de diviser l’effort de frottement global F
en efforts réduits fi correspondant aux linéaires
entre stations intermédiaires. Les frottements
dynamiques étant généralement bien inférieurs
aux frottements statiques, ces stations sont donc
mises en place pour reprendre lors des phases de
redémarrage les pics d’efforts liés aux frottements
statiques après les phases d’arrêts prolongés
(week-end, pannes...). Au total 7 stations inter-
médiaires avaient été prévues (3 unités espacées
de 145 m moyens pour le 1er tronçon de 565 m
et 4 unités espacées de 150 m moyens pour le
2ème tronçon de 775m).
Il est à noter que le dimensionnement des tuyaux
PRV centrifugés a été mené en collaboration avec
les services techniques du fournisseur HOBAS. Les
tubes ont des caractéristiques géométriques très
précises et des joints totalement étanches tant
vis-à-vis des pressions intérieures que celles exté-
rieures dues à la nappe phréatique. Leur faible
poids facilite leur manutention et diminue les forces
de frottement.
En cas de rayon de courbure plus faible, dû par
exemple aux incertitudes de guidage, le service
technique HOBAS communique la réduction à appli-
quer à la poussée. Ce facteur de réduction est la
conséquence de diminution de la surface de contact
entre les abouts pour une déviation angulaire ici
supérieure à 0,25° (soit avec un rayon de courbe
inférieur à 680 m) comme représenté sur le schéma
ci-après :
CHANTIERSCollecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier ]
Station intermédiaire - Virole métallique.
Figure a Figure b
Effets sur abouts en cas de pose en courbe derayon inférieur à 680 m pour un DN1800/1940
Tuyaux PRV DN1800/1940 - Fournisseur HOBAS.
Tuyau aval usiné pour station intermédiaire.
En cours de réalisation du premier tronçon, les
efforts de frottement se sont avérés bien plus
importants qu’attendus. En phase d’avancement,
les efforts de frottement dynamique mesurés et la
force de poussée P ont nécessité l’utilisation per-
manente des stations intermédiaires. De plus lors
des opérations de redémarrage après les phases
d’arrêt, les efforts de frottement statique mesurés
s’approchaient des seuils de sécurité définis par
472 M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
du train de tuyaux et de maintenir une lubrification
efficace. Chaque ligne est contrôlée de manière
indépendante à l’aide d’un réglage pression/débit
à adapter manuellement ou en pilotage automatique.
Traitement des déblais :-centrale de floculation-et centrifugeuse-
Les déblais extraits par la roue de coupe sont
mélangés avec le fluide de marinage (ici de l’eau)
et la boue ainsi formée est remontée à la surface
par pompage. Ces boues sont alors traitées pour
organe de poussée. Afin de sécuriser le creuse-
ment, il a été alors nécessaire d’ajouter une station
intermédiaire. Cette station supplémentaire a réduit
de 30 mètres en moyenne le linéaire des tronçons
entre stations, contribuant à la réduction d’environ
20 % des efforts repris par chaque station.
L’ajout de stations intermédiaires et leur utilisation
permanente a fortement impacté les cadences de
terrassement lors de la réalisation du premier tron-
çon. Ainsi l’analyse des données issues du premier
tir a permis de mettre en évidence des pertes de
cadences aux alentours d’environ -10 % par station
intermédiaire utilisée (à partir de la deuxième station
mise en place).
Injection de lubrification-
Les injections de lubrification ont pour but de
réduire les efforts de frottements du terrain sur les
tuyaux en remplissant le vide annulaire créé par la
surcoupe de la machine (environ 3 cm) d’un coulis
de bentonite. La spécificité du chantier de Rennes
a nécessité la mise en place de deux lignes indé-
pendantes de lubrification. Une première ligne alimente
directement un anneau de lubrification situé à
l’arrière du tube suiveur. Cet anneau permet un
premier remplissage uniforme et complet du vide
annulaire juste derrière la machine. Ensuite des
stations d’injection sont installés tous les 5 tuyaux
(15m) permettant, via trois pipes situés à 120°
l’une de l’autre, de réinjecter localement tout le long
en extraire les déblais et recycler l’eau qui est
ensuite renvoyée en tête. Fonctionnant en circuit
fermé, le traitement du marinage est donc un élément
critique pour l’avancement du microtunnelier. Si le
recyclage du marinage n’est pas suffisamment
performant, le fluide se charge progressivement en
matériaux (sa densité augmente), ne permettant
plus la remontée correcte des déblais en surface,
provoquant le ralentissement des cadences d’avan-
cement. Des opérations de vidange du circuit sont
alors à réaliser, entrainant un arrêt du creusement.
Outre le coût purement financier de tels arrêts
(matériel, main d’œuvre et évacuation des boues),
ces opérations ont un impact environnemental fort
(consommation importante d’eau pour renouveler
le volume de marinage, évacuation de volumes
importants de boues). Il est donc crucial de définir
correctement ce matériel de traitement à travers
une analyse poussée des données géologiques du
rapport de sol. Un des critères importants à étudier
est le spectre granulométrique des différentes
couches géologiques à excaver. En effet plus
les matériaux seront fins, plus ils seront difficiles à
éliminer.
L’équipement de traitement principal utilisé est un
dessableur - dessilteur. Ce matériel est situé en
série sur le circuit de marinage, c'est-à-dire qu’il
traite l’intégralité du débit. Le matériel utilisé sur
notre chantier de Rennes est un appareil traitant
jusqu’à 500 m3/h et constitué de 3 étages : un
crible qui élimine les éléments supérieurs à 5mm,
et deux étages d’hydrocyclones qui séparent les
particules de dimensions supérieures à 30 μm.
CHANTIERS M
[ Collecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier
Cadences effectives réalisées sur le tronçon N°1.
Station et pipe d’injection de lubrification.
473
M
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
Cette installation ne reprend que 10 à 15 % du
débit principal, mais sa configuration en parallèle
du circuit principal assure un fonctionnement
pendant les phases d’absence de production
(temps nécessaire à la pose des tuyaux, phase de
maintenance..) permettant le renouvellement du
volume du stock de marinage sur une durée de
l’ordre d’une heure.
Pour déterminer si ce traitement est suffisant pour
notre chantier de Rennes, il fallait apprécier la
proportion de particules inférieures à ce seuil de
coupure de 30 μm. Pour ce faire, nous avons défini
des coupes géologiques prévisibles types par
tronçon en fonction des résultats des carottages
réalisés sur le tracé du collecteur fournis dans le
rapport de sol.
Puis par tronçon, nous avons extrapolé les réparti-
tions granulométriques de chaque couche pour
déterminer les volumes totaux de matériaux supé-
rieurs et inférieurs à 30 μm.
CHANTIERSCollecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier ]
Exemple de coupe réalisée à l’aide des donnéesdu rapport de sol.
Tableau récapitulatif - Volume traitable par le dessableur - dessilteur.
La majorité des terrains rencontrés (86 %) devait
donc être traité par l’étape dessableur-dessilteur.
Cependant la présence non négligeable (14 %)
d’éléments très fins qui ne pouvaient pas être traités
par des moyens classiques de dessablage a néces-
sité la mise en place d’un matériel complémentaire.
Le matériel choisi s’est porté sur un ensemble
« station de floculation et centrifugeuse ».
Vue d’ensemble de l’atelier microtunnelageDe gauche à droite : le puits de travail, la cabine de pilotage, et le dessableur.
Vue sur chantier de la centrifugeuse (en jaune) et du dessableur (en blanc).
Synoptique du traitement du marinage.
Blocs, cailloutis et graviers à passées d’argile Argile limoneuse
à cailloutis de schiste
Blocs et cailloutis de schiste à
matrice argileuse
Galets et graviers à matrix d’argile
Grès plus ou moins friable
Coupe géologique au niveau du carrotage SC7
474 M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
Reconditionnement-de la roue de coupe-
Compte tenu de la géologie (possibilité de rencontre
de terrains argileux et graveleux mais également
de passages indurés), le microtunnelier a été
équipé d’une roue de coupe mixte contenant 18
dents de coupe, 8 dents de surcoupe, 5 molettes
doubles Ø 250 mm, 2 molettes triples de surcoupe
Ø 320 mm.
A la sortie du tir n°1, une usure très prononcée a
été constatée sur l’ensemble de la tête. Les
molettes (et leurs supports) ont ainsi perdu plus de
20 mm de diamètre (~10 %), toutes les dents de
surcoupes étaient hors service, une partie des dents
étaient cassées et les autres présentaient une usure
prononcée au niveau de la plaquette carbure, ce
qui présentait un risque de rupture.
A cette étape du process, un polymère est ajouté
au fluide de marinage pour créer un phénomène
d’agglomération des particules fines entre elles
créant ainsi des ensembles plus volumineux et plus
lourds éliminables par centrifugation.
Ce traitement complémentaire permet de garantir
l’élimination des éléments les plus fins et ainsi
maintenir une densité de fluide recyclé inférieure
à 1,1.
Lors de la réalisation du premier tronçon, les pro-
portions prévues de déblais traités par le dessableur
et la centrifugeuse (respectivement 86 % - 14 %)
n’ont pu être observées en raison des nombreuses
fluctuations de la géologie traversée. Ces propor-
tions ont même été inversées : environ 80 % des
déblais ont été éliminés par la centrifugeuse contre
seulement 20 % par le dessableur. Cette dispro-
portion s’explique par des granulométries des
terrains rencontrés qui se sont avérées beaucoup
plus fines que celles attendues. Ce changement a
donc conduit le chantier à maintenir un fonction-
nement continu de la centrifugeuse en y associant
une adaptation permanente des caractéristiques et
du dosage des floculants.
Mais le point le plus alarmant était l’usure périphé-
rique de la tête, jusqu’à 31 mm mesuré sur le rayon
par rapport à la tête d’origine.
Même si la longueur du tir (565 m) était importante,
l’usure constatée est fortement prématurée.
Ce phénomène s’expliquerait par la présence de
particules de sables plus ou moins grésifiés parti-
culièrement abrasives, amplifié par la nécessité
d’exercer une forte pression sur la tête pour réussir
à terrasser les couches argilo-schisteuses.
La roue de coupe a nécessité une remise en état
complète, réalisée en temps masqué pendant les
opérations de retournement du tir N°1 pour le
tir N°2.
CHANTIERS M
[ Collecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier
Avant ajout de floculant
Juste après homogénéisation 1 min après homogénéisation
Boues à traiter Seringue d’injection
Floculat
Détermination du dosage du floculant.
Bennes à déblais - Sortie Centrifugeuse (en haut)Sortie Dessableur (en bas).
Etat de la roue de coupe en sortie du tir N°1.
Reconditionnement de la roue de coupe
dans les ateliers de SADE STS.
475
M
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
Hormis le remplacement de tous les outils et de
leurs supports, un renforcement à l’abrasion a été
effectué avec un rechargement du métal dur HB600
par croisillon de soudures. L’usure périphérique
étant trop prononcée pour un rechargement par
soudure, un usinage complet de la tête sur 40 mm
de diamètre a donc été réalisé dans un premier
temps pour uniformiser le support afin de pouvoir
dans un deuxième temps fixer par soudure chanfrein
et bouchon une tôle de 20 mm sur toute la périphérie.
Lors de cette dernière étape, 10 plaques métal-
liques de dureté 700 Brinell de dimensions
240 x 40 x 8 mm ont été incorporées dans le but de
garantir la résistance à l’abrasion pour le second tir.
Ouvrages annexes-
La méthode de réalisation de la station de pom-
page, ouvrage circulaire de 7 m de diamètre et de
profondeur 10,5m, est la technique de la paroi
moulée. Cette station servant de puits de sortie pour
le tir N°1, il a été mis en place des armatures en
fibres de verre pour faciliter la pénétration du micro-
tunnelier dans la paroi.
CHANTIERSCollecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier ]
Plaquettes anti-abrasives mises en place sur la périphérie de la roue de coupe.
Station de pompage - Mise en place du panneau d’armatures fibres de verre et sortie microtunnelier.
Puits de travail réalisé à l’aide de parois au coulis auto-durcissable armé.
Sortie du microtunnelier dans la future station de pompage réalisée en paroi moulée.
Tous les autres ouvrages traversés par le microtun-
nelier sont réalisés à l’aide d’un soutènement
provisoire en parois au coulis auto-durcissable
armé. Ce soutènement est exécuté avant le pas-
sage du microtunnelier et assure une étanchéité de
la fouille lors du génie civil des puits.
476 M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
Tout en amont du collecteur, une station de dés-
odorisation équipée d’un extracteur d’air créera une
dépression avant de traiter l’air aspiré au travers
d’un filtre à charbon actif. Outil de sécurité permet-
tant le renouvellement d’air dans le stockage, il
garantit également le traitement effectif des nui-
sances olfactives.
Comme explicité précédemment une station de net-
toyage située à environ 200 m en aval de la station
de désodorisation sera réalisée directement sur le
collecteur.
Conclusion-
Le défi technique que représentait la réalisation de ces 1 340 m de collecteur en seulement 2
tirs courbes de grande longueur est aujourd’hui en passe d’être réalisé. Comme nous nous
sommes efforcés de le démontrer dans cet article, que ce soient les organes de poussée (station
télescopique, stations intermédiaires) ou le matériel de traitement du marinage (dessableur-
dessilteur associé à une centrale de floculation et centrifugeuse), les équipements retenus pour
ce chantier par la SADE STS se sont révélés indispensables pour faire face aux fortes fluctuations
géologiques (granulométrie, abrasivité, collage du terrain, pression) rencontrées en cours de
terrassement.
Ce chantier démontre, encore une fois, l’importance de l’anticipation des aléas propres aux
travaux souterrains à travers la mise en œuvre de matériels adaptés. t
CHANTIERS M
[ Collecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier
Réalisation du regard R2 entre parois au coulis.
Système de nettoyage automatique prévu.
Une partie de l’équipe microtunnelier.
Distant d’environ 200 à 250 mètres, 4 regards de
visite, également prévus en matériau PRV, seront
réalisés « au sec » entre parois au coulis.
477
M
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
Maginot - Rennes water storagemicro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine
M
[ Collecteur Maginot - Rennes - 2 tirs courbes de grande longueur au microtunnelier
M
469
M WORKSITES
SummaryIn order to improve the quality of water of the Vilaine River, the City of Rennes has started the constructionof a 3,300 m3 storage facility in the form of a 1,340 m long linear water storage micro-tunnel with an internaldiameter of 1,800 mm. The microtunneling technique was chosen for this project, with the specific featurethat it is carried out in only two very long curved drives (565 m and 775 m long). In order to meet this tech-nical challenge, Sade’s Special Works Department mobilised one of its entire microtunneling shops, viz., a Herrenknecht AVN 1600TC machine, together with logistics that included thrust units (a telescopic stationand intermediate stations) and mucking treatment (a sand and silt eliminator combined with a centrifugeand flocculation unit) appropriate for the geological properties of the Rennes subsoil. During construction,these items of equipments proved indispensable for dealing with the major geological variations (in particlesize distribution, soil adhesion, and pressure) encountered during earthworks.
Main contributors
• Project owner: City of Rennes
• Project manager: Rennes Métropole (Grea-ter Rennes Area Joint Authority) - Directiondes Infrastructures et des Equipements(Public Works & Infrastructure Department)
• Consortium: - Lead company & Technical management:
Service Travaux Spéciaux (SpecialWorks Department), Sade
- Co-contractor: SMCE Réha - Pipes supplier: Hobas
The project-
As part of the 2nd multi-year drainage and sewage
disposal plan, the City of Rennes appointed Sade’s
Special Works Department to construct a 1,340 m
long DN1800 mm water storage micro-tunnel (WST)
under Avenue Sergent Maginot in the centre of
Lowering the AVN 1600 TC microtunneling machine.
Damien MaitreSADE STS
Pascal LaconoSADE STS
Rennes. This structure will help to improve the qua-
lity of surface water of the Vilaine River by collecting
sewage from North East Rennes in dry weather, and
by collecting rainwater in wet weather. The 3,300 m3
available storage volume will make it possible to
regulate downstream flow and thereby avoid too
frequent discharges to the receiving body. After
emptying the storage facility, residual deposits will
be eliminated by an automatic cleaning system.
When in the closed position, this facility located in
the upstream part of the tunnel will create loading
of the catchment. Then rapid opening will suddenly
release this load of effluents, causing flushing inside
the tunnel.
The works specified in the contract include laying
by a microtunneling machine of a centrifuged GRP
(Glass-Reinforced Polyester) pipe with an internal
diameter of 1,800 mm, 1,340 m long, and the
construction of related works (discharge, cleaning
and deodorization stations).
478 M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
WORKSITES M
[ Maginot - Rennes water storage micro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine
(its great depth [7 m] and the presence of the
groundwater table) which would have made open
working very difficult.
Construction of the micro-tunnel:-two very long curved drives to-limit the impact of the works-
In order to limit the impact of the works to a strict
minimum, the 1,340 m long micro-tunnel was
constructed in only two very long curved drives
(565 m and 775 m long). Note that these two drives
are current French records for the length of sections
produced by microtunneling machine with GRP
(Glass-Reinforced Polyester) pipes of this diameter.
Therefore, in the end, on the surface, there will only
be three work areas at specific points for the micro-
tunneling machine works: a central work shaft
which is the common starting point for both drives,
and two exit shafts at each end. In order to meet
this technical challenge, Sade’s Special Works
Department mobilised one of its entire microtunne-
ling workshops, viz., a Herrenknecht AVN1600TC
machine, together with logistics that included thrust
units and mucking treatment appropriate for the
geological properties of the Rennes subsoil.
Geological context-
The route of the WST varies between NGF [French
ordnance survey] altitudes 19.0 and 21.7 (i.e., at
an average depth of 7.0 m) and intersects with the
following formations:
• Altered schist composed of schist blocs and gra-
vel with clay-silt matrices
• The schist-sandstone substratum (located level
with the structure’s raft foundation) formed of
schist and sandstone with varying degrees of
fragmentation
There is a groundwater table at an average depth
of 3 m.
Main technical choices-
The construction of this storage facility in the linear
form of a micro-tunnel was made necessary by the
urban density of Rennes city centre which did not
allow room for a “conventional” storage basin that
would have required a large area of land.
Thrust equipment-
For excavation, two types of forces must be taken
into account:
• Thrust force P to be exerted on the soil by the
microtunneling machine’s head to allow excava-
tion and forward progress of the machine.
• Frictional loads F exerted by the soil on the pipes
put in place. The latter are directly linked to the
length of the section of pipe to be driven. It is easy
to understand that the loads are greater when the
section is longer.
The frictional loads may be divided into two types:
dynamic friction corresponding to friction during
dynamic phases of progress of sinking, and static
friction related to recompression of the ground
during shutdown/stoppage phases. These linear
frictional loads are very difficult to determine by
calculation, since they depend on several factors,
such as the characteristics of the soil (cohesion,
adhesive texture, etc.), overcutting, efficiency of
lubrication injections, etc. However, using empirical
rules established by the experience of previously
completed construction projects, we can estimate
these frictional loads according to the types of
ground to be excavated. Similarly, the calculation of
the thrust force P to be exerted on the head and
directly related to the quality of the ground encoun-
tered as well as the geometry and the tools of the
cutting wheel is also very complex.
For the needs of the project and to ensure the thrust
pressures required for proper execution of the
works, two further items of equipment were put in
place in addition to the main thrust frame in the
work shaft:
• A telescopic station (4 jacks of 125 t each, i.e.,
a total thrust capacity of 500 t) located just behind
the machine. The only purpose of this station is
to exert the thrust P required for forward progress
of the microtunneling machine.
3D schematic view of the project.
Exit of the machine - Section No. 1.
Control station: Control of parameters. Telescopic thrust station.
The City of Rennes’s choice of the microtunneling
machine technique meets the aim to limit the
impact of works (traffic, neighbourhood, noise, etc.)
in a dense urban area, but was especially necessary
because of the project’s technical characteristics
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TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
WORKSITESMaginot - Rennes water storage micro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine ]
The Hobas range of microtunnel pipes has a gua-
ranteed minimum longitudinal compression strength
of 90N/mm2. Therefore the thrust force before failure
(uniformly distributed thrust on end-piece - see
Figure a) is 2,800 t for the DN 1800/1940 77mm
thick pipe. The permissible thrust force – with a dis-
tribution coefficient of 2 (eccentric thrust in contact
on the entire surface of the end-piece - see figure
b) and a safety factor of 1.75, i.e., 2 x 1.75 = 3.5
in accordance with DIN rules – is 800 t for the DN
1800/1940 77mm thick pipe.
Subjected to thrust loads, a Hobas microtunnel pipe
shows elastic linear behaviour within the limit of
± 0.5% strain. This characteristic has certain
advantages for the construction of this type of project.
Indeed, it is not necessary to use timber rings to
transfer thrust between GRP pipes. In addition, the
pipe returns to its initial shape after loading, which
timber cannot do, particularly if there is water present.
Lastly, the pipe’s temporary deformation under
eccentric thrust enables strings of Hobas pipes to
follow a curve imposed by the microtunneling
machine by maintaining maximum contact on the
surface of the GRP/GRP end-pieces and therefore
without any reduction of permissible thrust. There-
fore, for the DN1800/1940 77 mm thick pipes in
3m unit lengths used in the project, the minimum
radius of curvature that can be constructed without
thrust reduction is 680m (equivalent to an angular
deviation of 0.25° between pipes), which is much
more restrictive than the curves constructed on
this project (900 m and 1000 m) and the maximum
permissible angular
deviation of the Hobas
sealing system (0.5°
with a safety factor
of 2).
• Intermediate stations (in each station: 14 jacks of
77 t each, i.e., a total thrust capacity of 1,078 t)
regularly spaced in the section currently being
excavated. By using these stations, the overall
frictional load F is divided into reduced loads ficorresponding to lengths between intermediate
stations. Since dynamic frictional loads are
usually much lower than static frictional loads,
these stations are put in place to absorb, during
restarting phases, the peak loads related to static
friction after phases of prolonged shutdown
(during weekends, breakdowns, etc.). A total of 7
intermediate stations were planned (3 units spa-
ced at an average distance of 145 m, for the first
565 m section, and 4 units spaced at an average
distance of 150 m for the second 775 m section).
Note that the centrifuged GRP pipes were designed
in collaboration with the technical departments of
the supplier, Hobas. The pipes have very precise
geometric characteristics and seals that are com-
pletely leaktight in relation to both internal pressures
and external pressures due to the groundwater
table. Their low weight makes them easy to handle
and reduces frictional loads.
During construction of the first section, the frictional
loads were found to be much greater than expected.
During the forward progress phase, the measured
dynamic frictional loads and the thrust force P
required the continual use of the intermediate sta-
tions. In addition, during re-start operations after
shutdown/stoppage phases, the measured static
frictional loads were close to the safety thresholds
defined for each thrust unit.
Intermediaire station - Steel pipe.
Figure a Figure b
Effects on end-pieces when laying DN1800/1940pipes on a curve of radius less than 680 m.GRP (Glass-Reinforced Polyester) pipes,
DN1800/1940 - Supplier: Hobas.
Downstream pipe machined for intermediate station.
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[ Maginot - Rennes water storage micro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine
Treatment of excavated-materials: flocculation and-centrifuge unit-
The material excavated by the cutting wheel is
mixed with the mucking fluid (which is water in this
case). The sludge formed in this way is pumped up
to the surface. This sludge is then treated to extract
the excavated material and recycle the water, which
is then sent back to the cutting head. Operating in
a closed circuit, the mucking treatment is therefore
a critical factor for progress of the microtunneling
machine. If the mucking recycling is not efficient
In order to make excavation safe, it was then neces-
sary to add an intermediate station. This additional
station reduced the length of sections between
stations by an average of 30 metres, contributing
to around 20% reduction of loads borne by each
station. The addition of intermediate stations and
their continual use greatly impacted the rates of
progress of earthworks during construction of the
first section. Therefore the analysis of data obtained
from the first drive revealed the loss of rates of pro-
gress of around -10% for each intermediate station
used (as of the second station installed).
Injection of lubricant-
The aim of lubricant injections is to reduce the fric-
tional loads of the ground on the pipes by means
of the ring-shaped void created by the machine
overcut (around 3 cm) of bentonite grout. The
specific nature of the Rennes project required the
provision of two separate lubrication lines. A first
line directly supplies a lubricant ring behind the
follower pipe. This ring is used for first uniform,
complete filling of the ring-shaped void just behind
the machine. Then injection stations are installed –
with one for every five pipes (15m) – to locally
re-inject and maintain effective lubrication via three
pipes placed at an angle of 120° to each other, all
along the string of pipes. Each line is controlled sepa-
rately with the aid of a pressure/flowrate regulation
system to be adapted manually or by automatic control.
enough, the fluid gradually becomes loaded with
materials, and so its density increases, preventing
further proper pumping of excavated material up to
the surface, and slowing down the rates of progress.
Operations for emptying the circuit must then be
conducted, causing a stoppage of excavation. Apart
from the purely financial cost of such stoppages (in
terms of equipment, labour and sludge extraction),
these operations have a high impact on the envi-
ronment (high consumption of water to renew the
mucking volume, and extraction of large volumes
of sludge). Therefore it is crucial to correctly define
this treatment equipment by in-depth analysis of
the geological data in the soil report. One of the
important criteria to be studied is the particle size
distribution of the various geological strata to be
excavated. Indeed, the finer the materials, they
more they are difficult to eliminate.
The main treatment equipment used is a sand and
silt eliminator. This equipment is placed in series in
the mucking circuit, that is, it treats the entire flow.
The equipment used in our Rennes project handles
up to 500 m3/h and consists of three stages: a
screen that eliminates particles larger than 5 mm,
and two stages of hydrocyclones that separate
particles larger than 30 μm.
Actual rates of progress in section No. 1.
Lubricant injection station and pipe.
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This installation only handles 10 to 15% of the main
flow, but its configuration in parallel with the main
circuit ensures operation during periods when there
is no production (time required for laying pipes,
maintenance, etc.), allowing the volume of mucking
stock to be renewed for a period of around one hour.
To determine whether this treatment is enough for
our Rennes project, we had to determine the pro-
portion of particles below this 30 μm lower cut-off
threshold. To do so, we defined typical foreseeable
geological profiles for every section of the project
according to the results of core samples taken on
the route of the tunnel provided in the soil report.
Then, for each section, we extrapolated the particle
size distributions of every layer to determine the
total volumes of materials that are larger and smal-
ler than 30 μm.
Example of cross-section produced with datafrom the soil report.
Summary table: Volume treatable by the sand & silt eliminator.
Therefore most (86%) of the ground encountered
had to be treated by the sand and silt eliminator
stage. However, due to the considerable presence
(14%) of very fine particles that could not be treated
by conventional sand elimination equipment, it was
necessary to install additional equipment. The
chosen equipment was a complete “flocculation
and centrifuging station”.
General view of microtunnelingworkshop.From left to right: the work shaft, the control cabin, and the sand eliminator.
View of construction site showing centrifuge (in yellow) and sand eliminator (in white).
Schematic diagram of the mucking treatment.
Blocs, broken stone and gravel with clay partings Silty clay with
broken schist stone
Schist blocs and broken schist
stone with clay matrix
Pebbles and gravel with clay matrix
Sandstone of varying friability
Geological cross-section at core sample SC7
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[ Maginot - Rennes water storage micro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine
Reconditioning of-the cutting wheel-
Considering the geology (the possibility of encoun-
tering clay and gravel terrain, but also indurated
passages), the microtunneling machine was fitted
with a mixed cutting wheel containing 18 cutting
teeth, 8 overcutting teeth, 5 double 250 mm dia-
meter disc-cutters, and 2 triple 320 mm diameter
overcutting disc-cutters.
At the end of drive No. 1, very pronounced wear
was observed in the entire head. The disc-cutters
(and their supports) lost more than 20 mm (~10%)
of their diameter, all the overcutting teeth were out
of operation, some of the teeth were broken, the
others had very worn carbide tips, which caused a
risk of breaking.
At this stage of the process, a polymer is added to
the mucking fluid to create agglomeration of fine
particles between each other bulkier, heavier
conglomerates that can be eliminated by centrifu-
ging.
This additional treatment ensures the elimination of
the finest particles and thereby maintains a density
of recycled fluid lower than 1.1.
During the construction of the first section, because
of the numerous variations in the geology encoun-
tered, it was not possible to observe the planned
proportions of excavated materials treated by the
sand eliminator and the centrifuge (respectively
86% and 14%). These proportions were even inver-
ted: around 80% of excavated materials were eli-
minated by the centrifuge, as opposed to only 20%
by the sand eliminator. This disproportion is explai-
ned by the particle size distributions of the terrains
encountered, which were much finer than expected.
Therefore this change led the construction site to
maintain continuous operation of the centrifuge
while combining it with continual adaptation of the
characteristics and proportioning of flocculants.
However, the most alarming point was the wear
around the edge of the head: wear of up to 31 mm
measured on the radius in relation to the original
head. Even if the drive was long (565 m), the obser-
ved wear is very premature. This would be explained
by the presence of particularly abrasive sand par-
ticles containing varying proportions of sandstone,
amplified by the need to exert strong pressure on
the head in order to succeed in working the clay-
schist layers. The cutting wheel needed to be com-
pletely reconditioned in concurrent operation time
during turnaround operations between drive No. 1
and drive No. 2.
Before adding flocculant
Just after homogenization 1 minute after homogenization
Sludge to be treated Injection syringe
Flocculate
Determination offlocculant proportion.
Skips for excavated materials - Output from centri-fuge (at top).Output from sand eliminator (at bottom).
Condition of the cutting wheel at the end of drive No. 1.
Reconditioning of the cutting wheel in the Sade STS (Special Works
Department) workshops.
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TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
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Apart from replacing all tools and their supports,
abrasion reinforcement was provided by hard-
facing the HB600 hard metal by building up
welding. Since the wear around the edge was too
pronounced for hard-facing by welding, the head
was completely machined over a diameter of
40 mm as a first stage to make the support uniform
so that, as a second stage, a 20 mm metal sheet
could be fixed around the entire edge by groove
weld and plug. During this last stage, 10 metal
plates, 240 x 40 x 8 mm, of Brinell hardness 700,
were incorporated in order to ensure abrasion resis-
tance for the second drive.
Related structures-
The diaphragm wall technique was used for
construction of the pumping station, a circular
structure, 7 m in diameter and 10.5 m deep. Since
this station acted as an exit shaft for drive No. 1,
glass fibre reinforcement was fitted to facilitate the
microtunneling machine’s penetration into the wall.
Anti-abrasive tips fitted around the edge of the cutting wheel.
Pumping station - Installing the panel of glass fibre reinforcement and exit of microtunneling machine.
Work shaft constructed with walls in reinforced self-hardening grout.
Output of microtunneling machine in future pumping station constructed with diaphragm walls.
All other structures through which the microtunne-
ling machine passes are constructed with tempo-
rary support provided by walls in reinforced
self-hardening grout. This support is constructed
before the passage of the microtunneling machine
and it ensures leaktightness of the excavation
during civil works on the shafts.
484 M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010
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[ Maginot - Rennes water storage micro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine
Far upstream of the WST, a deodorization station
equipped with an air extractor will create negative
pressure before treating the air sucked through an
active carbon filter. This is a safety device for rene-
wing air in the storage facility, and it also ensures
effective treatment of smell nuisances.
As explained above, a cleaning station placed
around 200 m downstream of the deodorization sta-
tion will be constructed directly on the WST.
Conclusion-
The technical challenge of constructing the 1,340 m of micro-tunnel in only two very long curved
drives is now being met. As we have tried to demonstrate in this article, the equipment chosen
for this project by Sade STS – the thrust units (a telescopic station and intermediate stations)
and the mucking treatment equipment (a sand and silt eliminator combined with a flocculation
and centrifuge unit) – proved to be indispensable for dealing with the major variations in geo-
logical properties (particle size distribution, abrasiveness, soil adhesion, and pressure) encoun-
tered during earthworks.
This project shows once more the importance of foreseeing problems specific to underground
works by applying appropriate equipment. t
Construction of inspection chamber R2 betweengrout walls.
Planned automatic cleaning system.
Part of the microtunneling machine crew.
Spaced around 200 to 250 metres apart, 4 inspec-
tion chambers, also in GRP, will be “dry-construc-
ted” between grout walls.