Project Description
Technique de construction visant à consolider et à étancher temporairement un sol (ou un rocher fracturé)
Soletanche Bachy utilise le plus souvent le principe de congélation pour réaliser des rameaux ou des galeries sous nappe, circonscrire une pollution, réaliser des puits verticaux au travers d’aquifères, ou étancher des ouvertures dans des ouvrages.
Qu’est ce que le principe de la congélation des sols ?
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.
La congélation du sol provient du transfert de calories du terrain vers un fluide à basse température (fluide caloporteur ou réfrigérant) mis en circulation dans des forages (appelés congélateurs ou sondes de congélation) mis en place dans le sol : l’eau en contact avec le congélateur se transforme en glace formant une gaine de terrain congelé autour de celui-ci qui en s’épaississant avec le temps permet d’obtenir la continuité avec les congélateurs voisins.
Les avantages de cette technique
Ce qui distingue la congélation des autres techniques de soutènement ou de traitement de sols plus conventionnelles sont :
Le caractère provisoire du traitement : il n’y a donc généralement pas de modification permanente du sous-sol et de l’hydrologie naturelle
L’étanchéité obtenue est complète, ce qui élimine les problèmes de pompage-traitement des eaux, et de rabattement éventuel extérieur
Aucun produit chimique n’est injecté dans le terrain ce qui permet de préserver l’environnement
Les domaines d’applications
La congélation est applicable à tous les terrains aquifères. En cas de circulation importante de l’eau de la nappe (naturelle ou non), une pré-injection ou une densification des congélateurs peut s’avérer nécessaire.
La technique de la congélation est le plus souvent utilisée pour l’excavation de tunnels, de puits (miniers ou autres), de galeries et rameaux lorsque les méthodes conventionnelles (pompage, injection, jet grouting, Deep Soil Mixing, …) ne peuvent pas être mises en œuvre pour des raisons de nature du terrain, de profondeur, d’accessibilité en surface, de présence de réseaux, etc.
D’autres applications plus rares, comme le confinement de zones polluées, peuvent également être envisagées (Fukushima).
Les méthodes de congélation
Deux méthodes sont utilisées pour la congélation des sols, la méthode à circuit ouvert (à l’azote) et la méthode à circuit fermé (à la saumure). On peut utiliser les deux méthodes l’une après l’autre (méthode combinée : ouverte puis fermée).
La méthode historique dès 1862 de la congélation en circuit fermé à la saumure a montré son utilité dans les mines puis en travaux publics. L’arrivée de l’azote liquide, transportable avec des températures de -196°C à -60°C a permis de congeler le sol très rapidement selon le principe du circuit ouvert.
Méthode 1 : La méthode en circuit ouvert (à détente directe)
Le fluide caloporteur ou réfrigérant est l’azote liquide. L’azote liquide est livré sur chantier par camions spéciaux et stocké dans des citernes/cuves spécifiques.
L’azote est introduit dans le circuit au travers d’une vanne (dont l’ouverture est le plus souvent régulée automatiquement en fonction de la température de sortie) sous forme liquide à la température cryogénique de -196°C. En circulant dans les congélateurs, l’azote va entrer en ébullition, changement de phase liquide en phase gazeuse. Pour l’azote, 1 litre liquide donne 691 litres de gaz (à 15°C en pression atmosphérique).
Dans notre congélation l’azote est donc réchauffé pour ensuite être relargué dans l’atmosphère sous forme gazeuse à une température comprise généralement entre -60°C et -90°C. Le relargage s’effectue via une « cheminée ». Environ 65% du froid est apporté par le changement de phase à -196°C, le reste provient du réchauffement de l’azote sous forme gazeuse.
La congélation à l’azote liquide est le plus souvent mise en œuvre dans des conditions d’urgence (rapidité de mise en froid) ou lorsque les limites de la congélation à la saumure sont atteintes. Elle représente cependant un coût élevé, et nécessite d’être mise en œuvre avec une grande précaution par des experts car en cas de fuite les risques d’asphyxie sont importants. De ce fait, durant les phases d’injection d’azote dans le circuit, il est préférable d’éviter toute activité dans l’environnement du chantier.
Méthode 2 : La méthode en circuit fermé ou à double échange
Le fluide caloporteur est une saumure (mélange eau-sels), le plus souvent de chlorure de calcium (CaCl2), dont la température est baissée entre -25°C et -40°C. A ces températures, la saumure reste liquide à condition que sa concentration en sels soit rigoureusement ajustée (point eutectique).
Dans cette méthode en circuit fermé, il faut donc refroidir la saumure avant de l’envoyer dans les congélateurs. La saumure circule d’abord dans un bac de transfert de calorie du groupe frigorifique. Ce bac est équipé d’un filtre pour enlever les impuretés. La saumure, lors de sa mise en circulation se réchauffe au contact du terrain (et dans les conduites), de quelques degrés seulement. Ceci constitue la première boucle fermée du circuit.
Le groupe frigorifique à très basse température a refroidi le bac de transfert. Ce groupe utilise le principe de Rankine (comme pour un réfrigérateur) en comprimant puis détendant un fluide frigorigène (R507 dans le schéma ci-dessous), mais qui parfois peut être remplacé par CO2 alors que l’ammoniaque tend à disparaitre. Ceci constitue la seconde boucle fermée du circuit.
Les calories du groupe frigorifique nécessitent elles aussi d’être dispersées, le plus souvent un échangeur fluide-air est utilisé (comme en climatisation) mais un échangeur fluide-eau peut aussi être employé pour des raisons d’encombrement ou de bruit.
La congélation à la saumure est généralement préférée à la congélation à l’azote pour des raisons évidentes de coûts et de sécurité, car cette méthode est à la fois moins coûteuse et moins dangereuse.
La méthode combinée
Cette méthode combine les deux méthodes : méthode en circuit ouvert (azote) et méthode en circuit fermée (saumure). La mise en froid est effectuée en circuit ouvert à l’azote liquide pour des raisons de rapidité. L’entretien est réalisé en circuit fermé à la saumure pour des raisons de coûts.
Les implications :
- Les matériaux sont adaptés aux températures cryogéniques de l’azote liquide
- Les diamètres des congélateurs sont plus importants car adaptés à la saumure (on peut néanmoins envisager de changer le diamètre du tube intérieur lors du passage de l’azote liquide à la saumure).
Financièrement, cette méthode s’inscrit entre les deux précédentes. Elle présente un intérêt dans certaines circonstances :
- Urgence de mise en œuvre d’une congélation (intérêt de l’azote liquide) qui dure dans le temps (intérêt de la saumure)
- Vitesse de circulation des eaux de nappe supérieure à la limite admissible par la congélation à la saumure. La mise en œuvre d’une congélation à l’azote liquide permet alors de développer le massif de glace et de couper les circulations d’eau. La saumure prend ensuite le relais pour maintenir le massif de glace. Cette solution est valable sur les circulations d’eau périphériques au massif de glace s’il n’y a pas une fonte progressive du massif de glace par apports trop importants de calories.
- La phase de mise en froid se faisant à l’azote, celle-ci génère moins de d’augmentation de volume. Des études spécifiques doivent valider ce point.
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