Le principe de la congélation des sols consiste à transformer l’eau interstitielle du sol en glace, assurant ainsi une liaison étanche et résistante entre les grains du terrain afin de réaliser des murs étanches et résistants. Certains parlent de “congélation à pierre fendre”. Cette méthode est parfois utilisée dans les travaux de souterrains (pré-soutènement) en terrain aquifère (terrain imprégné d’eau).

congélation des sols : l’historique

La première congélation artificielle d’un sol a eu lieu à Berlin en 1885.
L’objectif des travaux était de réaliser la traversée souterraine d’une rivière.
C’est dans les mines qu’ont eu lieu les premières congélations de sols, pour ensuite s’étendre et se
développer dans le domaine du génie Civil.

Pourquoi consolider un sol ?

Prenons l’exemple du creusement d’une galerie pour le métro : Lors de l’excavation du sol, la stabilité est directement liée à la cohésion du matériau :
Sans cohésion, il n’y a pas de stabilité possible
Sans soutènement, la rupture est immédiate.
Il faut donc mettre en place le dispositif de soutènement avant de commencer à creuser.
Certains sols ont une cohésion apparente suffisante pour assurer la stabilité de la paroi pendant un délai nécessaire pour installer un blindage. Par contre, il est important d’effectuer cette tâche rapidement car un sol exposé à l’air et décomprimé connaît une diminution de sa cohésion, ce qui augmente la probabilité d’éboulement.

congélation des sols
Congélation pour des stations souterraines du Métro Parisien (copyright vinci-construction)

congélation des sols : le procédé

On crée un froid glacial par transfert de frigories d’un fluide qui circule dans des tubes (sondes) congélateurs maintenus en place durant toute la durée de l’excavation.
L’eau interstitielle en contact avec la sonde se transforme en glace formant une gaine de terrain congelé autour de la sonde, s’épaississant avec le temps, ce qui permet de réaliser des murs étanches et résistants.

congélation des sols : les étapes importantes du procédé

Dans un chantier de congélation, on doit contrôler en priorité :

 

  • Exécution de sondages encaissant l’ouvrage à construire, sur la hauteur des couches aquifères, espacement des forages voisin de 1 m.
  • Vérification des forages à l’aide d’inclinomètres
  • Vérification de l’étanchéité des tubes congélateurs et du circuit
  • Porter une attention particulière à la plomberie
  • Piézomètre pour la pression à l’intérieur de l’enceinte de glace
  • Surveiller le bon fonctionnement des machines frigorifiques, éviter les surchauffes
  • Température d’entrée (-196°C) et de sortie (-80°C) afin d’optimiser le rendement de l’azote qui est un produit coûteux
  • Si tunnel à proximité, placer des jauges de contraintes et de déplacements ainsi qu’un inclinomètre, pour vérifier que le tunnel ne subit aucun dommage
  • Mesures topographiques en surface (gonflements et tassements)
  • Mise en place de tubes réfrigérants (sondes): fermés à leur base, ils contiennent des tubes plus petits ouverts à leur partie inférieure.
  • Mise en circulation d’un liquide à basse température arrivant par le tube intérieur et remontant dans l’espace annulaire en empruntant la chaleur au terrain encaissant.
  • Congélation progressive des couches autour des sondes, obtention d’une paroi de terrain gelé dur et imperméable,
    maintien de cette paroi durant les travaux de génie civil.

congélation des sols : les méthodes

Plusieurs méthodes peuvent être employées:
La méthode ouverte, à l’azote liquide ;
La méthode fermée, à la saumure ;
La méthode combinée ;

La méthode ouverte : Circulation d’azote liquide

L’azote est transporté au chantier et maintenu à une température de – 196°C sous une pression de 5 bars environ.
Cette pression sert à assurer la circulation de l’azote dans les sondes.
La détente de l’azote liquide produit du froid à très basse température : A l’aval de la dernière sonde une vanne libère l’azote devenu gazeux dans l’atmosphère, à une température de -60°C environ.
Le délai est court : La mise en froid du terrain encaissant est rapide (2 à 3 jours).
La résistance du sol ainsi congelé est généralement élevée: écrasement sous 30 à 50 bars en compression simple.
Les installations sont légères, mais le coût est élevé.
Cette méthode est adaptée aux petits volumes à faible profondeur.

illustration de la congélation des sols en circuit ouvert
                       illustration de la méthode de congélation des sols en circuit ouvert

La méthode fermée : Circulation d’un liquide refroidi en circuit fermé

Un circuit frigorifique primaire, au moyen de compresseurs et de condensateurs, liquéfie le fluide (ammoniaque ou fréon).
En se vaporisant, ce fluide assure le refroidissement du liquide réfrigérant (Saumure entre -25 et – 30°C) qui circule dans les sondes, en circuit fermé.
Dans ce cas, les sondes ont un diamètre plus grand qu’avec l’azote.
Le délai est long (3 à 4 semaines) et les installations sont importantes.

La méthode combinée

Elle consiste à rendre complémentaires les méthodes précédentes, en utilisant les mêmes tubes congélateurs. On combine ainsi une mise en froid rapide (azote) et un entretien économique (saumure) en ayant préalablement effectué un traitement léger par injection pour fermer les vides ou les circulations importantes et consolider un peu le sol.
L’avantage est double : moins de pertes (économie de frigories) et sécurité accrue.

congélation des sols : Les usages

Ce procédé est souvent employé pour le creusement de fouilles, de puits ou de galeries, de “sauvetage” d’ouvrages à la suite d’incidents, tunnels pour franchissements de montagne, pour la protection de l’environnement ou encore le confinement de matières dangereuses.

Exemple d’usage : prolongement de la ligne 12 du métro de Paris

Vidéo :


Source Construction Coyola: Congélation à pierre fendre sur le chantier du Grand Paris, extension nord de la ligne 14 du métro

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