10 ans de retour d’expérience de creusements d’ouvrages dans l’argilite du Callovo-Oxfordien au laboratoire de

recherche souterrain de Meuse/Haute Marne

DRD/MFS/14-0237

Gilles ARMAND

Colloque « Stockage Souterrain pour l’Énergie et l'Environnement »,

Ecole des Ponts25/11/2014

Plan de l’exposé

Contexte

Objectifs des recherches en géomécanique et stratégie expérimentale

Exemples sur la construction d’ouvrages souterrains (puits, galerie)

À -445 m

À -490 m (niveau cible du stockage)

Conclusions et perspectives

DRD/MFS/14-0237

Contexte

DRD/MFS/14-0237

Argilite du Callovo-Oxfordien

Roche hôte compatible avec un stockage profondPropriété de transport : faible diffusion des radionucléides

Roche très peu perméable pour éviter les circulations d’eau

Zone sans faille géologique

Epaisseur de couche suffisante

Profondeur suffisante mais permettant la construction d’ouvrages souterrains

Zone non sismique

Etudier l’argilite du Callovo-Oxfordien

DRD/MFS/14-0237

Architecture possible du projet CIGEO

Excavation/ventilationActivités

nucléaires

Descenderie/funiculaire zone MAVL

zone HA

Puits pour les excavations et ventilation

DRD/MFS/14-0237

CIGEO: Centre industriel de stockage géologique

Stockage géologique à 500 m de profondeur dans les argilites du Callovo-Oxfordien

Zoom sur l’alvéole MAVL

Longueur: ≈400m

Diamètre excavé: 9-11m

2x2 ou 3x3 colisNb conteneurs≈ 800-

1900

DRD/MFS/14-0237

Zoom sur l’alvéole HA

Longueur min: 40m

(80 m en référence)

Diamètre: 70cm

Nb conteneurs: 7-20

(pour 40 m)

DRD/MFS/14-0237

Objectifs des recherches en géomécanique

DRD/MFS/14-0237

Objectifs géomécaniques

Etudier le comportement hydromécanique des ouvrages souterrains (puits, galeries,…)

Pendant le creusement => comportement à court terme

Au cours du temps => comportement différé

Caractériser la zone endommagée par le creusement (EDZ) et son évolution au cours du temps

Etudier le couplage Thermo –Hydro-Mécanique

Etudier la problématique de scellement et des gaz

Construire des ouvrages souterrains et réaliser des expérimentations in situ au laboratoire souterrain de Meuse Haute Marne

DRD/MFS/14-0237

Objectifs géomécaniques

Compréhension du comportement HM de la roche et du soutènement/revêtement

+Impact des différentes

méthodes de creusement/soutènement

Comportement Hydromécanique des ouvrages souterrains et des argilites du COX

Dimensionnement et optimisation des méthodes de construction pour le stockage CIGEO

Caractérisation de l’EDZ (fracturation, propriétés de transport) et de son évolution au cours du temps

Données d’entrée pour les calculs de sûreté

DRD/MFS/14-0237

Stratégie des expérimentations

Nécessité d’acquérir et de compléter les données non seulement sur le comportement intrinsèque des argilites du COX, mais aussi sur le comportement des ouvrages proprement dit, en particulier sur l’interaction roche/soutènement

Développement séquentiel du réseau de galeries spécifiques permettant d’étudier les phénologies et l’impact des choix technologiques de construction:

Impact des différentes méthodes de creusement/soutènement par comparaison du comportement de différentes galeries parallèles

Impact de l’orientation des ouvrages par rapport à l’état de contrainte

Impact de la minéralogie sur le comportement des ouvrages (=> profondeur)

Impact de la désaturation/resaturation sur le comportement d’un ouvrage

Propriétés de l’EDZ sous chargement mécanique et imbibition

DRD/MFS/14-0237

Mine by experiment

Dispositif expérimental : “Mine by experiment”

Mesures en forage (déplacement, pression interstitielle) mises en place avant le creusement

Mesures de convergence extensomètrie, caractérisation géologique des front de taille, analyse structurale des carottes

Caractérisation intensive après creusement (perméabilité, …)

DRD/MFS/14-0237

Galerie GCS

Caractérisation du comportement HM et EDZ

2011/ 2013

2011/2014

2012

2013

2011

2013/2014

2015/2016

2011

Forages de caractérisation de la fracturation (injection de de résine, suivi géologique, velocity survey)

Mine by test

Section extensométriqueForages de perméabilité

Zone de SMC

2004

2008/2009

2009

2010/ 2011

2004/2005

Localisation et phasage des expérimentations

DRD/MFS/14-0237

σV

σh≈ σV

σH≈ 1,3.σh

2015

Observations dans la niche (-445 m) et lors du creusement des puits d’accès

DRD/MFS/14-0237

Niche à -445 m

Excavation à l’explosif (passe de 3 m), soutènement cintre coulissant

DRD/MFS/14-0234

SMR 2.1 - SMC sur Terrain - (NCH1010) - Convergences

0123456789

1011121314151617181920212223

20/0

9/04

10/1

0/04

30/1

0/04

19/1

1/04

09/1

2/04

29/1

2/04

18/0

1/05

07/0

2/05

27/0

2/05

19/0

3/05

08/0

4/05

28/0

4/05

18/0

5/05

07/0

6/05

27/0

6/05

17/0

7/05

06/0

8/05

26/0

8/05

15/0

9/05

05/1

0/05

25/1

0/05

14/1

1/05

04/1

2/05

24/1

2/05

13/0

1/06

02/0

2/06

22/0

2/06

14/0

3/06

03/0

4/06

23/0

4/06

13/0

5/06

02/0

6/06

22/0

6/06

12/0

7/06

01/0

8/06

21/0

8/06

10/0

9/06

30/0

9/06

20/1

0/06

09/1

1/06

Date

Co

nve

rgen

ce (

mm

)

1

2

3

4

56

N S

E

Au creusement:•Convergence horizontale: 4 à 7 mm •Convergence verticale est supérieure (à cause du soulèvement du radier)• Faible endommagement (quelques fissures en particulier au radier)

A plus long terme:• Effort faible sur les cintres• Convergence verticale qui évolue (souflage du radier) et convergence horizontale quasiment nulle

fracturefracture

Fracture à 0,2 m du mur au radier de la galerie

Convergence dans le puits d’accès

Entre -433 et -467 m:

Comportement quasi élastique

En dessous de -473 m:

Concentration de contrainte suivant σh (N65°E)

deformations plastiques

Suivant σH la convergence varie de 4 mm à -433,3 m (0,05 % diameter) à 18 mm à -483,7 m (0,23 %)

DRD/MFS/14-0234

Convergence dans le COX

σHσh

Niche

Niveau principal

Observation au niveau principal (-490 m)

DRD/MFS/14-0237

Test de différentes méthodes d’excavation

Test de différentes méthodes d’excavation/soutènement dans des galerie parallèles pour voir l’influence sur le comportement HM

DRD/MFS/14-0237

Machine a attaque ponctuelle

Brise roche hydraulique

Machine à attaque ponctuelle sous jupe

Différentes techniques de soutènement (1/2)

DRD/MFS/14-0237

Boulons radiaux (3 m long),18 cm béton projeté fibré,12 cales compressibles (hiDcon®)

GCS drift

≈ GCS t + 27 cm de béton coulé en place 6,5 mois après le creusement

GCR driftBoulons radiaux(3 m long),45 cm béton projeté fibré mis en 4 couches consécutives

BPE drift

Différentes techniques de soutènement (2/2)

Mise en place de voussoirs préfabriquéVoussoir 45 cm d’épaisseur

Injection de différents matériaux de bourrage

DRD/MFS/14-0237

Classical mortarCompressible mortar

with polystyrene ball

Suivi géologique

DRD/MFS/14-0237

Fracture supérieure du chevron -Shear

Fractures du bombement - extension

Fracture inférieure du chevron - Shear

Ecaillage concave (Eco) - Shear

FCh/ECo - Shear

Drift //σH Drift //σh

A 490 m: présence d’une fracturation induite importante

Influence de la direction de creusement/à l’orientation des contraintes in situ

Fracturation induite dans une galerie //σH

Structural analysis in an area with numbers of borehole exhibits :

Complex pattern

Extent of shear fracture is larger than tensile fracture

Deep in the rock the shear fracture are visible on different borehole

DRD/MFS/14-0237

Modèle de fracturation induite par le creusement

Différentes méthodes d’excavation (MAP,BRH) ont pas d’influence sur l’organisation du réseau de fracture et peu sur l’extension

Différentes méthodes de soutènement testées (boulon/béton projeté/cintre, béton avec calle compressible, voussoir préfabriqué,…)

DRD/MFS/14-0237

Drift Orientation

Extensional fractures extent

Shear fractures extent

Min. Average

Max. Min. Average

Max.

N65// σσσσh

Ceiling0.2×D

0.3×D

0.4×D 0.5×D 0.6×D0.8×D

Wall0.1×D

0.1×D

0.2×D - - -

Floor0.2×D

0.4×D

0.5×D 0.8×D0.8 ×D

1.1×D

N155// σσσσH

Ceiling-

0.1×D

0.15×D

- - -

Wall 0.01×D

0.2×D

0.4×D 0.7×D 0.8×D1.0×D

Floor-

0.1×D

0.15×D

- - -

Fracturation induite sur différents ouvrages //σH

DRD/MFS/14-0234

Typologie de fracturation identique et d’extension similaire

BoulonMicrotunnel HA (0,7 m de diametre)

Fracturation induite dans la galerie GRD4 (//sH)

DRD/MFS/14-0237

Pour la galerie GRD4 creusée au tunnelierMatériau de bourrage mis en place avec une rampe => clavage tardif

à environ 2,5 D du front

Typologie de la fracturation similaire aux autres méthodes d’excavation, mais extension différente particulièrement en voute (étude en cours)

Mesures de convergence GED (σh) versus GCS (σH)

L’amplitude des convergences dépend de l’orientation des galeries et de la zone fracturée

En GCS suivant σH, Cv/Ch de l’ordre de 0,5

En GED suivant σh, Cv/Ch de l’ordre de 4,4

Convergence importante durant les 3 premiers mois de suivi, puis le taux de déformation décroit en fonction du temps

Galerie parallèle à la contrainte majeure Galerie parallèle à la contrainte mineure

DRD/MFS/14-0237

Déplacements axiaux (σH)

Extensomètre inversé MRH-X installé dans l’axe de la GCS et détruit à l’avancement

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

01

/04

/20

10

01

/05

/20

10

31

/05

/20

10

30

/06

/20

10

30

/07

/20

10

29

/08

/20

10

28

/09

/20

10

28

/10

/20

10

dé

pla

cem

en

t (m

m)

OHZ1701_DFO_01

PM 49,6

OHZ1701_DFO_02

PM 47,5

OHZ1701_DFO_03

PM 45,5

OHZ1701_DFO_04

PM 44,1

OHZ1701_DFO_05

PM 42,5

OHZ1701_DFO_06

PM 41,0

OHZ1701_DFO_07

PM 39,5

OHZ1701_DFO_08

PM 37,5

OHZ1701_DFO_09

PM 35,5

OHZ1701_DFO_10

PM 30,6

PM

10

9

17

4

� Le début de réponse estimé à environ10 m en avant du front.

� A 1,5 m du front, l’extrusion est de 2,74 mm en moyenne.

� Au-delà perte des mesures du fait de la destruction de l’extensomètre.

DRD/MFS/14-0237

Comportement différé: Observations au CMHM (σH)

Extensomètre subhorizontal perpendiculaire à la GCS corrigé des convergences de la galerie GAT

DRD/MFS/14-0234

0

5

10

15

20

25

30

22

/04

/20

10

07

/05

/20

10

22

/05

/20

10

06

/06

/20

10

21

/06

/20

10

06

/07

/20

10

dé

pla

cem

en

t [m

m]

OHZ1501_DF0_01 à 30,0 m

(d=-0,1 m/PM 17,3)

OHZ1501_DF0_02 à 29,1 m

(d=0,8 m/PM 17,3)

OHZ1501_DF0_03 à 28,1 m

(d=1,8 m/PM 17,3)

OHZ1501_DF0_04 à 26,6 m

(d=3,3 m/PM 17,4)

OHZ1501_DF0_05 à 25,1 m

(d=4,8 m/PM 17,4)

OHZ1501_DF0_06 à 24,1 m

(d=5,8 m/PM 17,4)

OHZ1501_DF0_07 à 19,1 m

(d=10,8 m/PM 17,4)

OHZ1501_DF0_08 à 15,1 m

(d=14,8 m/PM 17,4)

OHZ1501_DF0_09 à 8,1 m

(d=21,8 m/PM 17,5)

OHZ1501_DF0_10 à 5,1 m

(d=24,8 m/PM 17,5)

PM

� Déformations apparaissent à2,4 m en avant du front

� Influence des reprises d’excavation jusqu’à 8,4 m en arrière du front

� A partir de cette distance, la réponse différée devient prépondérante sur la réponse élastoplastique

10

7

1 01 à -0,1 m

02 à 0,8 m

03 à 1,8 m

04 à 3,3 m

05 à 4,8 m

Comportement différé: Observations au CMHM (σH)

Déplacement pseudo-instantanéDéplacement différé (viscosité + couplage hydromécanique)

Déformation différé autour des ouvragescouplage hydromécanique (variation de pression interstitielle, gonflement,…)

Fluage du matériau (viscosité de la matrice rocheuse +/ou propagation sub critique de la fissuration )

Déformation d’un milieu fracturée par glissement/ouverture des fractures

DRD/MFS/14-0234

Déformations extensométriques au parement d’une galerie orientée suivant la contrainte majeure (σH)

Localisation des déformations différées dans la zone fracturée

Les déformations différé sont différentes suivant la localisation (3 Zones)Lien entre les taux de déformation et la densité de fracturation

Au-delà d’un 1D les déformations différées sont très faibles

DRD/MFS/14-0234

Forage OHZ1501 (à partir de la GAT)

Forage OHZ1704

0.4×D1.0×D

0,3 1,9 3,4 4,9 7,9

boulon

Réponse hydraulique (court terme)

DRD/MFS/13-0065

Réponse hydraulique au passage du front (court terme)

Période de suivi : 60 jours

Réponse du champ de pression anisotrope

Evolution rapide du champ de pression au passage du front et influence des passes d’excavation:

Impact du déconfinement mécanique sur le comportement court terme

Horizontalement Verticalement

0

10

20

30

40

50

60

70

80

08

/06

/20

10

15

/06

/20

10

22

/06

/20

10

29

/06

/20

10

06

/07

/20

10

13

/07

/20

10

20

/07

/20

10

27

/07

/20

10

03

/08

/20

10

10

/08

/20

10

Pre

ssio

n (

ba

rs)

OHZ1521_PRE_01 à 37,9 m

(d=-2,4 m/PM 35,7)

OHZ1521_PRE_02 à 33,7 m

(d=1,1 m/PM 33,5)

OHZ1521_PRE_03 à 32,7 m

(d=1,9 m/PM 33,0)

OHZ1521_PRE_04 à 29,3 m

(d=4,8 m/PM 31,3)

OHZ1521_PRE_05 à 23,4 m

(d=9,9 m/PM 28,3)

PM

0

10

20

30

40

50

60

15

/06

/20

10

22

/06

/20

10

29

/06

/20

10

06

/07

/20

10

13

/07

/20

10

20

/07

/20

10

27

/07

/20

10

03

/08

/20

10

10

/08

/20

10

17

/08

/20

10

Pre

ssio

n (

ba

rs)

OHZ1522_PRE_01 à 45,6 m

(d=6,9 m/PM 37,8)

OHZ1522_PRE_02 à 41,6 m

(d=4,5 m/PM 35,8)

OHZ1522_PRE_03 à 38,7 m

(d=3,5 m/PM 34,4)

OHZ1522_PRE_04 à 35,7 m

(d=3,5 m/PM 32,9)

OHZ1522_PRE_05 à 31,71 m

(d=4,9 m/PM 30,9)

PM

03 avril 2013

Réponse hydraulique (long terme)

DRD/MFS/13-0065

Réponse hydraulique long terme

1 an après le creusement de la GCS, des surpressions persistent de 0,6 à 1 MPa dans le plan horizontal

Verticalement, les pressions tendent à se stabiliser en fonction de leur distance à la paroi (et de leur positon angulaire par rapport au plan horizontal)

Horizontalement Verticalement

30

35

40

45

50

55

60

65

70

22

/12

/20

09

01

/04

/20

10

10

/07

/20

10

18

/10

/20

10

26

/01

/20

11

06

/05

/20

11

14

/08

/20

11

22

/11

/20

11

01

/03

/20

12

Pre

ssio

n (

ba

rs)

OHZ1524_PRE_01 à 32,4 m

(d=10,5 m/PM 43,8)

OHZ1524_PRE_02 à 30,6 m

(d=11,6 m/PM 42,4)

OHZ1524_PRE_03 à 28,1 m

(d=13,1 m/PM 40,4)

OHZ1524_PRE_04 à 24,3 m

(d=15,3 m/PM 37,4)

OHZ1524_PRE_05 à 20,5 m

(d=17,6 m/PM 34,4)

PM

0

10

20

30

40

50

60

70

80

01

/04

/20

10

10

/07

/20

10

18

/10

/20

10

26

/01

/20

11

06

/05

/20

11

14

/08

/20

11

22

/11

/20

11

01

/03

/20

12

Pre

ssio

n (

ba

rs)

Date (j)

OHZ1522_PRE_01 à 45,6 m

(d=6,9 m/PM 37,8)

OHZ1522_PRE_02 à 41,6 m

(d=4,5 m/PM 35,8)

OHZ1522_PRE_03 à 38,7 m

(d=3,5 m/PM 34,4)

OHZ1522_PRE_04 à 35,7 m

(d=3,5 m/PM 32,9)

OHZ1522_PRE_05 à 31,71 m

(d=4,9 m/PM 30,9)

PM

03 avril 2013

Champ de pression à 200 et 500 jours

DRD/MFS/13-0065

Horizontalement:

Gradient hydraulique non stabilisé, augmentation des pressions toujours visible

Zone à P atm ou inférieure jusqu’à 4 m:

Verticalement:

Pressions tendent à se stabiliser en fonction de la distance à la paroi

Augmentation des pressions à partir de 6 m:

03 avril 2013

Horizontalement Verticalement

0

10

20

30

40

50

0 2 4 6 8

pre

ssio

n (

ba

rs)

distance à la paroi (m)

OHZ1732 (500j)

OHZ1734 (500j)

OHZ1736 (500j)

OHZ1738 (500j)

OHZ1522 (500j)

OHZ1523 (500j)

OHZ1732 (200j)

OHZ1734 (200j)

OHZ1736 (200j)

OHZ1738 (200j)

OHZ1522 (200j)

OHZ1523 (200j)0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

pre

ssio

n (

ba

rs)

distance à la paroi (m)

OHZ1731 (500j)

OHZ1733 (500j)

OHZ1735 (500j)

OHZ1737 (500j)

OHZ1521 (500j)

OHZ1524 (500j)

OHZ1731 (200j)

OHZ1733 (200j)

OHZ1735 (200j)

OHZ1737 (200j)

OHZ1521 (200j)

OHZ1524 (200j)

Conclusions

Comportement HM des ouvrages diffère suivant la minéralogiePlutôt élastique dans l’UCS

Endommagement et comportement différé important dans l’UA

Au niveau principal (UA) une fracturation induite importante est observéeElle se développe dés le front de taille. La géométrie dépend de l’orientation de la galerie par rapport au champ de contrainte

Les fractures en cisaillement représente 75 % des fractures induites

Les différentes méthodes d’excavation ont peu d’influence sur la fracturation induite

Entre 0,1m et 6 m de diamètre la forme et extension de la fracturation sont similaire

Pour les ouvrages de grande taille (6 m) la mise en place tardive d’un soutènement induit une accentuation de la fracturation

La zone fracturée joue un rôle majeur sur le comportement des ouvrages dans l’UA, Les convergences sont anisotropes et dépendent de l’orientation des ouvrages => chargement anisotrope des structures

Les déformations différées sont principalement localisées dans la zone fracturée (Au-delà de la zone fracturée, on observe des vitesses de déformation différée qui diminuent avec la profondeur (1à 2×10-12 s-1))

Comportement HMFort couplage M=> H

Champ de pression interstitielle « anisotrope » autour des ouvrages en line avec la fracturation induite

DRD/MFS/14-0234

Perspectives

Suivi à long terme des différents ouvrages convergence, déformation, évolution des pressions interstitielles, chargement des structures,…Evolution de la zone fracturée (perméabilité,…)

Capacité des modèles rhéologiques a prédire le comportement des ouvrages

Creusement de nouveaux ouvragesDe plus grand diamètre (9 m)Dans la direction de la contrainte mineure

Excavation en plusieurs phases

DRD/MFS/14-0237

Merci de votre attention

DRD/MFS/14-0237

G. Armand, F. Leveau, C. Nussbaum, R. de La Vaissiere, A. Noiret, D. Jaeggi, P. Landrein, C. Righini, 2014, Geometry and Properties of the Excavation-Induced Fractures at the Meuse/Haute-Marne URL Drifts, Rock mechanic and Rock engineering, Volume 47, Issue 1, pp 21-41

G. Armand, A. Noiret, J. Zghondi, D.M. Seyedi,2013, Short- and long-term behaviors of drifts in the Callovo-Oxfordian claystone at the Meuse/Haute-Marne Underground Research Laboratory, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 5,pp 221–230