Collecteur Maginot - Rennes · 2011-10-25 · TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010 M 469 Résumé Afin d’améliorer la qualité d’eau de la Vilaine,

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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

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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

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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


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


Cadences effectives réalisées sur le tronçon N°1.

Station et pipe d’injection de lubrification.

473

M


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.


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


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


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


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.


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.


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


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


Maginot - Rennes water storagemicro-tunnel - Two very long curved drives by microtunneling machine

M


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).


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

479

M


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.


WORKSITES M


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.

481

M



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


WORKSITES M


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.

483

M



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.


WORKSITES M


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.

Documents

Collecteur Maginot - Rennes · 2011-10-25 · TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°222 - Novembre/Décembre 2010 M 469 Résumé Afin d’améliorer la qualité d’eau de la Vilaine,