Qu'est-ce qui fait un bon tuyau de fonçage en béton ?

Les avantages du fonçage de tuyaux sont bien établis. En choisissant le fonçage de tuyau plutôt que la construction à ciel ouvert, les propriétaires peuvent avoir un pipeline installé avec précision avec moins de perturbations pour le public - et à un prix compétitif, avec moins de bruit et moins d'émissions.

Bien que les avantages du fonçage de tuyaux soient évidents, ils ne sont pas sans risques. Tout le monde connaît l'adage "une chaîne n'est aussi solide que son maillon le plus faible". Bien que ce principe puisse s'appliquer dans de nombreux scénarios différents, des affaires aux sports, il s'applique littéralement au fonçage de tuyaux.

Dans le fonçage de tuyaux, chaque segment de tuyau est enfoncé dans le sol, l'un après l'autre, construisant une «chaîne de tuyaux» souterraine de longueur et de poids croissants, créant ainsi progressivement des contraintes dans le tuyau. Toute défaillance d'un segment de tuyau individuel ou d'un joint à n'importe quel point du tracé peut avoir des conséquences potentiellement dévastatrices sur un projet, en particulier dans les zones urbaines ou sur les points de passage où l'accès au pipeline via un "puits ou tunnel de secours" peut être difficile, voire impossible.

Historiquement, les propriétaires et les ingénieurs ont une connaissance limitée du fonçage des tuyaux, en particulier en ce qui concerne ce qui rend un tuyau de fonçage en béton acceptable. Cela est compréhensible compte tenu de la nature de niche du fonçage de tuyaux en général et du microtunnelage en particulier. En raison de la nature critique de chaque segment de tuyau le long du train de tiges, le tuyau en béton qui a été bien adapté à la construction à ciel ouvert pendant des décennies ne répond tout simplement pas aux exigences du fonçage de tuyau moderne.

Aujourd'hui, les entrepreneurs en fonçage de tuyaux et en microtunnelage ont besoin de tuyaux de fonçage construits en tenant compte de l'utilisation finale. Les tuyaux de fonçage nécessitent une résistance accrue, des joints qui permettent au train de tuyaux de se courber et des joints qui empêchent la pénétration d'eau, de terre ou de bentonite.

Cela ne signifie pas que les tuyaux de fonçage doivent être compliqués dans leur conception ou leur fabrication. Il existe plusieurs fabricants de tuyaux en Amérique du Nord qui fabriquent des segments de tuyaux qui répondent aux attentes des entrepreneurs de fonçage et de microtunnelage. Nous nous sommes entretenus avec Robert Ward, ingénieur et co-fondateur/propriétaire de Ward and Burke Microtunnelling, qui a partagé son expérience concernant les tuyaux de fonçage en béton pour les projets de microtunnelage aux États-Unis et au Canada. Ward and Burke Microtunnelling est membre de la North American Microtunneling Association (www.NAMicrotunneling.com), une organisation d'entrepreneurs qui promeut l'éducation et le dialogue sur les questions liées au microtunneling.

"La première chose qu'un propriétaire doit considérer est que dans de nombreux cas, le tuyau de fonçage est le produit final permanent - rien d'autre n'a d'intérêt à long terme", a déclaré Ward. "Par conséquent, c'est de loin la partie la plus importante du processus de microtunnelage."

En effet, lors de sa mise en service, le tuyau de fonçage peut être le produit final permanent et transporter de l'eau, des eaux usées ou d'autres services publics, donc plus il dure longtemps, plus l'installation initiale devient rentable. De plus, cela signifie moins de perturbations pour le public lors de réparations ou de remplacements futurs. Il est important de se rappeler que le tuyau de fonçage peut également être un tuyau de tubage pour un tuyau de produit permanent tel que le PVC, le DIP, etc. Parfois, l'anneau entre le tubage et le tuyau final est remblayé, ce qui rend le tuyau de tubage de nature temporaire, mais si l'espace annulaire n'est pas rempli, le tuyau de fonçage est une structure permanente. Dans toutes les situations et utilisations, disposer d'un tuyau de fonçage de haute qualité est essentiel à la réussite d'un projet.

Alors, quelles sont les caractéristiques qui composent un bon tuyau de fonçage en béton ? Ward identifie plusieurs domaines qu'il considère comme essentiels. Bien qu'il n'existe actuellement pas de spécification standard pour les tuyaux de microtunnelage, Ward indique que des parties de plusieurs normes ASCE et ASTM existantes peuvent être combinées pour créer de bons tuyaux de fonçage en béton armé pour les projets de microtunnelage. Idéalement, ces sections disparates seront combinées en une seule norme que les ingénieurs concepteurs pourront citer lors de la rédaction des spécifications des projets de microtunnelage, en particulier ceux présentant une géologie difficile, de longs trajets ou des courbes.

Rigidité : La première caractéristique nécessaire pour un tuyau de fonçage compétent est la rigidité, a déclaré Ward, et cela conduit au béton. "Pendant la construction, le tuyau va rencontrer des obstacles qui vont lui appliquer des charges ponctuelles, et ce tuyau doit rester de forme circulaire", a-t-il déclaré. "Le tunnelier est rigide et il coupe un cercle, il est donc logique que tout ce que vous poussez derrière le tunnelier reste également en cercle. Le béton est rigide et reste en cercle lorsqu'il est chargé ponctuellement."

Conception conjointe : "L'une des clés d'un microtunnelage réussi est de réduire la friction afin de maintenir de faibles forces de levage", a déclaré Ward. "La façon de le faire est d'injecter de la bentonite autour de l'extérieur du tuyau. La bentonite doit souvent être injectée entre 40 et 100 psi. Par conséquent, le joint doit être capable de résister à 100 psi de pression externe - et non à 13 psi, ce qui est typique pour les tuyaux à coupe ouverte."

La pression est essentielle pour maintenir l'espace annulaire ouvert, empêchant ainsi le sable et la terre de saisir le tuyau et d'augmenter la friction le long du train de tiges.

Les systèmes de tuyauterie en béton typiques utilisent des joints conçus pour empêcher les eaux souterraines d'entrer dans le pipeline, mais ne tiennent pas compte des systèmes de lubrification à la bentonite. "Certains pensent que s'ils creusent un tunnel dans un sol sec ou peu profond, ils peuvent se passer d'un joint capable de résister à des pressions plus élevées, mais ce n'est pas le cas. Cela n'a rien à voir avec les eaux souterraines. Le fait de ne pas résister à la pression de la bentonite entraînera le contact du sable et de la terre avec le tuyau et, par conséquent, le blocage des tuyaux."

Conduite orientable : les entraînements courbes sont courants dans le monde depuis un certain nombre d'années et, au cours des cinq dernières années, ils sont devenus monnaie courante aux États-Unis et au Canada. La possibilité d'effectuer des entraînements courbes peut éliminer les arbres intermédiaires ou éviter les obstacles, ce qui se traduit par des projets plus rentables. Même si l'alignement conçu est droit, la capacité de direction est une caractéristique importante pour les tuyaux de microtunnelage. "Le tuyau doit être capable de négocier une courbe de rayon de 500 m, que le tunnel soit courbé ou droit en théorie", a déclaré Ward.

Cela nécessite que le revêtement du tuyau s'étende sur 7 po pour permettre au joint de s'ouvrir et de se fermer sans perdre de pression sur le joint. Selon Ward, là où la peau de queue est encastrée dans la paroi du tuyau en béton, elle a besoin d'un angle qui agit à la fois comme une ancre et un arrêt d'eau. De plus, la peau de queue a besoin d'une ancre cloutée tous les 12 pouces soudée autour du périmètre ou d'ancrages de barres d'armature soudés à la peau de queue dans le but d'empêcher la peau de queue de se détacher et de permettre à l'eau de fuir autour d'elle. Enfin, une bande hydrophile collée à l'intérieur de la peau de queue est nécessaire pour agir comme un waterstop supplémentaire. (Voir Figure 1 : Détail de joint typique pour tuyau de fonçage en béton)

Figure 1 : Détail de joint typique pour tuyau de fonçage en béton

Charges axiales : Dans le fonçage de tuyaux, la capacité du tuyau à accepter des charges axiales est la clé du succès. Le tuyau doit pouvoir être poussé à travers le sol sans aucune défaillance. Quelle que soit la durée du projet, une conduite solide est nécessaire car, dans un monde imparfait, des difficultés surgissent et un entrepreneur en microtunnelage peut avoir besoin d'appliquer une force supplémentaire pour maintenir le train de tiges en mouvement.

De plus, les tuyaux de fonçage en béton doivent être coulés par voie humide plutôt que par voie sèche, a déclaré Ward. Bien que les tuyaux en fonte sèche, généralement utilisés pour les projets à ciel ouvert, aient la même résistance ultime que les tuyaux en fonte humide, les tuyaux en fonte humide ont une résistance plus élevée à la déformation et peuvent supporter une charge axiale d'environ 2 000 tonnes sur un tuyau de 84 pouces. tuyau sur un rayon de 1 500 pieds.

"D'après notre expérience, lorsque la déformation dépasse 0,002, les tuyaux en béton coulé à sec commencent à perdre leur capacité à résister à la charge", a déclaré Ward. "Les tuyaux en béton coulé humide ont très peu de baisse dans leur capacité à résister à la charge et peuvent continuer à supporter une charge même à des contraintes dépassant 0,002 et jusqu'à 0,005 ou plus. ACI/ASCE conçoit pour une capacité de contrainte ultime de 0,003, mais il est toujours bon de savoir qu'il existe une capacité de charge suffisante au-dessus de cette contrainte dans un scénario 'apocalyptique'".

"De fortes contraintes sur le tuyau ne sont pas un phénomène quotidien, mais vous devez vous préparer au jour où les choses tourneront mal", a déclaré Ward. "Vous devrez peut-être pousser très fort sur le tuyau pour vous sortir d'une situation difficile, et le tuyau en fonte humide pourra supporter ces charges."

Un autre avantage du processus de coulée humide est l'extérieur lisse du tuyau de fonçage. Cette surface de tuyau plus lisse réduit le frottement cutané sur le train de tiges, réduisant ainsi la force de levage requise appliquée au tuyau pour terminer l'entraînement.

Épaisseur de paroi de tuyau : En plus de sa rigidité, le tuyau en béton est bien adapté aux projets de fonçage de tuyau en raison de son épaisseur de paroi. Les parois épaisses du tuyau en béton permettent d'accueillir des stations de fonçage intermédiaires (IJS ou interjacks), qui sont généralement installées sur de longs entraînements de microtunnelage comme moyen d'appliquer une poussée en plus des vérins à la fosse d'entrée. Des interjacks sont placés périodiquement le long du train de tiges entre les segments de tuyau et cette capacité de poussée supplémentaire sert presque de police d'assurance au cas où une poussée supplémentaire sur le train de tiges serait nécessaire.

Le diamètre des cylindres entre-vérins est d'environ 6 pouces et une épaisseur de paroi d'au moins le diamètre des cylindres entre-vérins est nécessaire.

"Le tuyau en béton, avec sa paroi épaisse, présente un avantage économique inhérent sur tous les autres produits car il peut être utilisé avec des interjacks à des charges très élevées", a-t-il déclaré. "Encore une fois, vous n'aurez peut-être pas besoin d'utiliser souvent des interjacks, mais lorsque vous en avez besoin, vous ne voulez pas d'un tuyau qui abandonne." Par rapport à d'autres matériaux de tuyauterie, les stations interjack dans les tuyaux en béton ont tendance à être plus économiques à fabriquer, à installer pendant le levage, puis à retirer lorsque le levage est terminé.

Approvisionnement du tuyau : Ward affirme que de nombreux fabricants de tuyaux en béton sont plus que capables de fournir des tuyaux de fonçage de haute qualité. L'aspect crucial est la création d'un moule de haute qualité. La tolérance du tuyau de fonçage doit être supérieure à celle du béton à ciel ouvert typique - de l'ordre de 1/16e de pouce. Ward and Burke a travaillé avec des fabricants de tuyaux en béton aux États-Unis et au Canada qui produisent des tuyaux en béton de classe mondiale pour des projets de classe mondiale.

"Une fois que vous avez installé le moule, le tuyau est simple à fabriquer", a déclaré Ward. "Cela ne coûte pas beaucoup plus cher de fabriquer le bon tuyau, et cela vous fera économiser beaucoup d'argent par rapport au fait de coincer le tuyau."

Normes de l'industrie : Il y a eu des discussions au sein de l'industrie sur la nécessité d'écrire une nouvelle spécification relative aux tuyaux de fonçage en béton, mais Ward indique que les documents existants peuvent être utilisés comme guide pour la fabrication de tuyaux en béton qui répondent aux besoins des entrepreneurs en microtunnelage, en commençant par l'ASCE 27-00, et son suivi ASCE 27-17 : "Pratique standard pour la conception directe de tuyaux en béton préfabriqué pour le fonçage dans une construction sans tranchée".

"ASCE 27-17 est la bible des microtunneliers", a déclaré Ward. "Vous devez le savoir et le respecter."

Pour la résistance du tuyau, ASTM C76-19 : "Standard Specification for Reinforced Concrete Culvert, Storm Drain, and Sewer Pipe" peut être utilisé comme document de référence. La norme identifie cinq classes différentes de tuyaux, la classe V étant la plus robuste. Ward suggère d'utiliser des tuyaux de classe V pour tous les projets de fonçage de tuyaux (sauf lors du creusement de tunnels dans le sable ou la roche de la plage, où la classe IV peut être acceptable).

Les normes concernant les joints pour les tuyaux jusqu'à une pression nominale de 50 psi se trouvent sous ASTM C361-16 : "Standard Specification for Reinforced Concrete Low-Head Pressure Pipe." La spécification de tuyau C-300 d'AWWA doit être utilisée pour les tuyaux en béton de microtunnel enveloppés de cylindres pour des pressions nominales comprises entre 50 et 150 psi.

L'ASCE a également publié le livre "Standard Construction Guidelines for Microtunneling", qui couvre la planification, la conception, les matériaux de canalisation et la construction du microtunnelage (CI/ASCE 36-15).

En choisissant des tuyaux bien conçus pour le travail, les propriétaires peuvent réaliser des projets réussis qui répondent aux demandes du public pour les générations à venir.

Robert, Ward, co-fondateur de Ward and Burke, était la source de cet article au nom de la North American Microtunneling Association (NAMA). La NAMA et ses membres approuvent le contenu de cet article.