Malgré le développement incontestable des tunneliers à roche dure ces dernières années, l’utilisation de ceux-ci reste très contraignante (en termes de risques et en termes techniques) et réservée à des galeries de grande longueur (sans pour autant que cette longueur justifie à elle seule l’emploi d’un tunnelier).
L’utilisation de l’explosif reste cependant le moyen le plus utilisé pour l’excavation d’ouvrages souterrains dans les massifs rocheux. Si l’usage de l’explosif est de plus en plus réglementé, tout particulièrement pour ce qui concerne la sûreté, la sécurité et l’environnement, le développement de techniques nouvelles nées des avancées technologiques (comme la robotisation de la foration, les contrôles géométriques par profilomètre ou scan 3D, les méthodes d’amorçage séquentielle ou électronique, les mesures simultanées de plusieurs gaz de manière continue…) rendent ce mode de creusement de plus en plus efficace, sûr et rapide. D’autres technologies sont en cours de développement, ou en cours d’adaptation aux travaux souterrains (comme l’émulsion pompée) et susceptibles d’apporter des réponses efficaces à des exigences toujours croissantes en termes règlementaires ou financières.
Le minage en souterrain présente certaines particularités :
Les mines sont horizontales (pour les ouvrages horizontaux de type galeries ou tunnels, qui représentent la grande majorité des ouvrages souterrains). Ces mines sont courtes (quelques mètres) et de petit diamètre (généralement entre 45 et 63 mm). Elles sont forées à l’aide de marteaux hydrauliques, limitant les émissions de bruit (par rapport au forage pneumatique) permettant une rapidité d’exécution optimale. Ces forations sont généralement réalisées à l’aide de machines multi-bras, permettant la mise en œuvre de plusieurs marteaux de forage simultanément, et robotisées, ce qui permet d’obtenir une bonne optimisation des tirs et une bonne qualité de découpage, évitant les hors profils
liés aux difficultés d’implantation des forages des mines périphériques.
L’absence de surface de dégagement latérale, qui impose d’initialiser le tir par un « bouchon ». Le bouchon, est constitué d’une combinaison de mines proches les unes des autres (quelques centimètres), fortement chargées, amorcées avec des intervalles de temps très faibles (quelques dizaines de millisecondes), et de trous vides de plus gros diamètre, dits trous de dégagement. Ce bouchon doit créer un volume vide permettant le dégagement des matériaux et donc le bon fonctionnement du tir. Il existe d’autres types de bouchons notamment en éventail, peu utilisés en France.
Des charges instantanées relativement faibles afin de générer des vibrations aussi faibles que possible, pour éviter de causer des dommages au massif encaissant (ébranlements, ouverture de faille…), aux équipements provisoires de chantier installés à proximité du front de taille, ou de nuire à la réalisation de parties de l’ouvrage en cours de construction (bétonnages par exemple). Des progrès significatifs en la matière ont été faits
ces dernières années avec la systématisation du tir séquentiel et l’apparition du tir électronique.
Une charge spécifique élevée, pour un bon fonctionnement du tir et une granulométrie relativement faible permettant un marinage rapide avec des moyens compatibles avec la dimension de l’ouvrage. Cette condition de charge spécifique élevée, combinée à la précédente (charge instantanée faible) impose un très grand nombre de mines, ce qui exige l’utilisation de plusieurs marteaux de forages présentant des vitesses de pénétration élevées (voir 1er alinéa du présent paragraphe).
La réalisation d’un ouvrage souterrain est linéaire, les tâches se succédant les unes aux autres, sans pouvoir se superposer dans la plupart des cas, et les pas d’avancement relativement faibles (quelques mètres tout au plus). Un cycle relativement classique se présente comme suit :
- Amenée et calage de la machine de forage au laser (si machine robotisée) ou implantation des mines au front de taille (dans le cas contraire) ;
- Forage des trous de mines (horizontaux, subhorizontaux ou légèrement divergents) ;
- Chargement des mines (dynamites ou émulsions pompées, cordeaux détonants, détonateurs électriques ou nonélectriques) et bourrage ou obturation des trous interdisant l’éjection éventuelle de cartouches (si le chargement est fait à l’aide de cartouches) ;
- Raccordement et vérification des lignes de tirs, installation du poste de tir, retrait du personnel d’exécution, puis mise à feu ;
- Ventilation forcée (par aspiration, soufflage, ou combinaison des deux) ;
- Inspection du tir et de la tenue des parois et des soutènements sur les tirs précédents ;
- Purge et marinage puis relevé du profil excavé (vérification du gabarit et mesure des hors-profils) et levé géologique du front et des parements ;
- Mise en sécurité par confortement (boulonnage, béton projeté) ou soutènement (cintres, blindages) et drainage éventuel ;
- Relevé du profil après confortement / soutènement.
Pendant cette phase d’excavation, sont effectuées (à minima) les mesures et relevés suivants :
- Mesure des gaz polluants, taux d’oxygène, explosivité et mesure des déplacements d’air (amenée d’air frais) ;
- Mesure des vibrations et surpressions aériennes ;
- Relevé des profils d’excavation avant et après mise en sécurité ;
- Mesure de la luminosité ambiante et aux postes de travail ;
- Mesure des durées de chaque phase de travaux contenue dans le cycle décrit ci-dessus ;
- Mesure de la consistance du béton projeté (avant projection) et de la résistance au jeune âge (quelques heures) ;
- Mesures relatives au tir électrique (résistance des lignes), le cas échéant ;
- Mesures relatives à la fabrication de l’émulsion, le cas échéant ;
- Relevé géologique de l’excavation (front et paroi) et contrôle de la bonne tenue du soutènement des travées précédentes (avec éventuellement mesures de convergences).
Préalablement à ces travaux d’excavation et de confortement (ou soutènement), il est impératif de mener quelques investigations en amont des travaux (en principe lors de l’élaboration du projet par le maître d’œuvre), afin d’optimiser les conditions d’exécution et l’organisation du chantier :
- Les reconnaissances géologiques et hydrogéologiques, par tous moyens classiques d’investigations (cartes géologiques, forages destructifs avec enregistrement, carottages, identification des matériaux, essais en laboratoire…) puis classification du massif (les méthodes les plus couramment utilisées étant Q-Barton et RMR) ;
- Les tirs de reconnaissance, destinés à appréhender au mieux les paramètres de la loi d’amortissement (Méthode Chapot) qui permettront de définir les charges instantanées admissibles et trouver le meilleur compromis pour obtenir une bonne efficacité du chantier d’excavation tout en garantissant de ne causer aucun dommage aux ouvrages avoisinants, ouvrages qu’il aura fallu identifier et qualifier au préalable.
La définition des charges instantanées au démarrage des travaux (résultant des tirs de reconnaissance réalisés par le maître d’œuvre en amont du projet, des tirs de validation réalisés par l’entreprise au démarrage des travaux, et de l’ensemble des contraintes environnementales), est cruciale
au regard de la faisabilité du projet, car elle conditionne le pas d’avancement du creusement, donc le programme prévisionnel des travaux.
Les reconnaissances géologiques sont également incontournables car elles permettent de choisir les modalités de creusement les plus appropriées et de définir les différents soutènements et confortements à envisager. L’identification des horizons rencontrés influe très fortement sur le programme prévisionnel des travaux et donc sur l’économie du chantier.