Le Fonçage Horizontal
par François DELASALLE ETERNIT-INDUSTRIES Division CANALISATIONS
L'amiante, roche métamorphique pouvant se cliver en fibres résistantes, est connu depuis la plus haute Antiquité.
Les Égyptiens savaient tisser ses fibres et c'est avec du tissu d'amiante qu'ils enveloppaient leur momies. Les Grecs en faisaient des mèches éternelles pour leurs lampes à huile. Les deux noms sous lesquels le minéral est encore désigné de nos jours sont d'origine grecque :
« amiante » : du grec amiantos = imputrescible « asbeste » : du grec asbestos = ininflammable.
La légende rapporte que Charlemagne possédait une nappe tissée en fibres d'amiante, qu'il jetait au feu devant ses invités pour les éblouir, car la nappe évidemment ne brûlait pas.
L'AMIANTE-CIMENT
On savait donc depuis toujours tisser les fibres minérales d'amiante, lorsqu'un industriel autrichien : Ludwig HATSCHEK, né à Olmütz en 1856, se rendit acquéreur d'une filature d'amiante en 1890. À cette époque, les débouchés se limitaient aux tissus isolants.
En 1893, HATSCHEK installa ses machines dans une papeterie à Schöndorf (Autriche), où après avoir maîtrisé la production de différents articles tissés, il voulut aller plus loin en recherchant un liant pour les fibres d'amiante ; il découvrit l'affinité de l'amiante pour le ciment et la possibilité d'utiliser de grandes quantités d'eau au cours de la fabrication. La connaissance des techniques papetières fut certainement déterminante dans ces découvertes. Les premières plaques furent réalisées, découpées en losanges : l'ardoise amiante-ciment était née et le losange devait rester le symbole d'Eternit.
C'est le 15 juin 1901 que Ludwig HATSCHEK dépose son premier brevet concernant la fabrication de l'amiante-ciment, qui connut un essor prodigieux et le conduisit à fonder rapidement sa première cimenterie.
En 1910, le brevet Eternit avait déjà été vendu dans une douzaine de pays industrialisés, dont : Allemagne, U.S.A., Grande-Bretagne, France, Italie, Suisse, Suède... À la même époque, HATSCHEK s'assurait l'exclusivité de production de certains amiantes russes particulièrement appropriés.
Il mourut en 1914, à la veille du conflit mondial, laissant une industrie en plein développement, qui avait déjà conquis le domaine du bâtiment dans de nombreux pays.
LE TUYAU D'AMIANTE-CIMENT
Mais il s'agissait de plaques planes, et dès 1906 HATSCHEK avait cherché à réaliser des tuyaux sans soudure, ceci sans grand succès. À Casale-Montferrato en Italie, on fabriquait à partir de plaques de pâte fraîche, des tuyaux avec soudure longitudinale, de qualité mécanique très médiocre, qui pouvaient être utilisés pour des descentes d'eaux pluviales ou des gaines de ventilation.
C'est à l'ingénieur italien MAZZA et à son collaborateur MATTEI que devait revenir l'honneur d'inventer une machine à fabriquer des tuyaux en amiante-ciment. Leur génie fut d'imaginer un enroulement continu sur un cylindre d'acier d'une mince pellicule d'amiante : c'est ce procédé, perfectionné depuis, qui est encore utilisé de nos jours.
Le brevet de la machine à tuyaux « type MAZZA » fut déposé en 1913 et acquis par la S.A. ETERNIT PIETRA ARTIFICIALE. La même année, un premier réseau d'adduction d'eau fut réalisé en tuyaux amiante-ciment. Cette invention devait procurer à
Industrie de l’amiante un nouvel essorpartant à la conquête du domaine descanalisations.
En 1922, un industriel français de la région du Nord, Joseph CUVELIER, se rend acquéreur du brevet ETERNIT pour la France et entreprit de l'exploiter dans une usine qu'il fit construire à Prouvy, sur les bords de l'Escaut, à proximité de Valenciennes.
Cinquante ans après, le groupe Eternit français, de par sa diversification, réalise un chiffre d'affaires consolidé de plus de 700 millions de F (H.T.) dont les deux tiers environ pour l'amiante-ciment. Il possède 18 usines en France dont 5 spécialisées dans la fabrication de tuyaux en amiante-ciment.
Le nom d’ETERNIT est répandu dans le monde entier et des Sociétés Eternit existent dans une vingtaine de pays, de tous les continents.
Pour rester dans le domaine de l'eau, qui est le propre de cette revue, nous ne nous intéresserons qu'aux tuyaux en amiante-ciment, dont les deux principaux domaines d'utilisation sont l'assainissement et l'adduction d'eau.
Premier producteur français d’amiante-ciment, ETERNIT-INDUSTRIES a produit en 1975 : 176 000 tonnes de tuyaux en amiante-ciment.
LES COMPOSANTS
Les trois constituants de l’amiante-ciment sont : l’amiante, le ciment, l’eau.
L'AMIANTE est une roche métamorphique qui se rencontre dans le sol sous forme de filons d’épaisseurs variables. Il existe deux grands groupes d’amiantes :
- - l'amiante de serpentine, c'est un silicate de magnésie hydraté : le CHRYSOTILE est la seule variété d'origine serpentique,
- - les AMPHIBOLES, ce sont des silicates de formules complexes, parmi lesquels se classe l'amiante bleu ou crocidolite, qualité utilisée dans la fabrication des tuyaux. C'est un silicate de fer, de magnésie et de sodium.
D'une masse volumique de 3,4 g/cm³ et d'une dureté Mohs de 5,5 à 6,0, l'amiante bleu est le plus résistant de tous les amiantes et possède notamment une grande résistance à la traction.
Tous ces minéraux ont la propriété de se cliver à l'infini en fibres bien plus fines que la plupart des fibres d'origine animale, végétale ou synthétique. Ainsi les diamètres de fibres utilisées pour les tuyaux en amiante-ciment peuvent atteindre 2 x 10⁻⁶ mm. Leur résistance à la traction est particulièrement élevée :
| Fibre | Résistance à la traction dN/mm² |
|---|---|
| CRYSOTILE | 30 à 230 |
| CROCIDOLITE | 70 à 225 |
| ACIER | 50 à 150 |
| FIBRE VERRE | 80 à 200 |
La production mondiale d’amiante est de l'ordre de 6 millions de tonnes par an, les principaux producteurs étant par ordre d'importance : l'URSS, le Canada, l'Afrique du Sud, la Chine, la Rhodésie, les USA.
Le traitement des roches se fait à proximité des mines, et les amiantes livrés aux utilisateurs sont de qualités parfaitement définies et constantes. Les amiantes sont transportés en sacs.
LE CIMENT : le liant habituel de l'amiante-ciment est le ciment PORTLAND ARTIFICIEL CPA 400. Pour certaines fabrications spéciales, on peut avoir recours à un type de ciment adapté.
L'EAU : l'eau utilisée pour la fabrication de l’amiante-ciment est prélevée en surface ou provient de forages. Cette eau ne doit pas contenir d’éléments pouvant nuire à la prise du ciment ou au processus de fabrication.
La prise du ciment peut, en effet, être perturbée par la présence de sels dissous dans l'eau de gâchage : les chlorures accélèrent la prise du ciment ; par contre, les phosphates la retardent.
Au cours de la fabrication, il est procédé à un essorage de la pâte pour en éliminer l'excès d'eau. Cette opération peut être contrariée par la présence de matières organiques ou colloïdales en suspension dans l'eau. Mises à part ces restrictions, la fabrication de l’amiante-ciment peut accepter toutes les variétés d'eaux naturelles.
LA FABRICATION
Il existe trois procédés de fabrication de l’amiante-ciment :— le procédé à sec,— le procédé par voie semi-humide,— le procédé par voie humide.
Pour la fabrication des tuyaux, seul le procédé par voie humide, mis au point par HATSCHEK et perfectionné par MAZZA, est utilisé.
Ce procédé est basé sur l’affinité existant entre les fibres d’amiante et les grains de ciment qui se fixent par adsorption sur les fibres. Le mélange peut alors être véhiculé par de très grandes quantités d’eau qui ne nuiront pas à la prise du ciment puisque l’excès d’eau sera éliminé avant cette prise.
La fabrication des tuyaux comporte quatre stades essentiels :• la préparation de l’amiante et le dosage des mélanges amiante et ciment,• l’enroulement de la pellicule d’amiante-ciment sur un mandrin,• la prise, le durcissement et le mûrissement des tuyaux,• le parachèvement et les essais des tuyaux terminés.
Préparation de l’amiante :
Les producteurs d’amiante livrent le minéral sous forme de buchettes qu’il est nécessaire de défibrer au maximum pour en augmenter la surface spécifique et donc les surfaces de contact avec le ciment, tout en respectant la longueur des fibres. Ce défibrage est réalisé dans un broyeur à meules, en présence d’eau pour éviter toute projection d’amiante dans l’atmosphère de travail. Le mélange d’amiante et de ciment est soigneusement dosé puis, mis en présence de grandes quantités d’eau, il est acheminé vers les bacs des machines. La concentration est alors de l’ordre de 7 à 9 grammes de mélange amiante-ciment par litre d’eau.
Enroulement de la pâte sur le mandrin :
La pâte très liquide est recueillie sur un tapis où elle subit un premier essorage et est déposée sur un mandrin d’acier poli, en fines couches d’épaisseur 0,1 à 0,3 mm. On la soumet à une forte compression par un feutre situé dans la partie supérieure de la machine : le rapport pondéral amiante/ciment est alors de l’ordre de 3. L’enroulement se poursuit jusqu’à l’obtention de l’épaisseur voulue. Le mandrin chargé du tuyau frais est alors retiré de la machine ; c’est l’opération délicate du démandrinage.
Mûrissement :
La prise du ciment peut être accélérée, dans certains cas, par passage du tuyau en étuve. Le mûrissement est réalisé ensuite dans des bassins, sous arrosage en pluie régulière et, selon le genre de tuyaux, peut durer jusqu’à trois semaines.
Cette phase du mûrissement demande beaucoup de soins pour assurer l’hydratation du ciment dans les conditions optimales.
Parachèvement et essais :
Dès que leur résistance mécanique le permet, les tuyaux subissent les opérations de parachèvement : leurs extrémités sont tournées à des cotes très précises, pour permettre le montage ultérieur des joints. Ils sont ensuite soumis à des contrôles d’étanchéité ou de résistance à une pression double de la pression de service ; cette pression d’essai définit la classe pour les tuyaux de la série « avec pression ».
LES CANALISATIONS « GRANDS-DIAMÈTRES »
La gamme des fabrications courantes, c’est-à-dire des tuyaux amiante-ciment de diamètres 100 à 600 mm, est familière depuis longtemps à tous les utilisateurs de canalisations. Ce que l’on sait moins, c’est que depuis plusieurs années l’industrie de l’amiante-ciment fabrique des tuyaux de diamètres bien plus importants.
Dès les années vingt, la Société URALITA réalisait en Espagne des conduites de diamètre 1000 mm, avec pression.
Les progrès réalisés ces dix dernières années ont constamment repoussé les limites des « grands-diamètres » ; on peut dire que la gamme complète des tuyaux amiante-ciment comprend aujourd’hui :— des tuyaux pour canalisations assainissement (sans pression interne) jusqu’à 2500 mm de diamètre,— des tuyaux pour canalisations sous pression jusqu’à un diamètre de 1000 mm, pour une pression de service de 10 bars,— des tuyaux de type « fonçage » jusqu’à 2000 mm de diamètre (normalement sans pression, mais supportant des poussées longitudinales importantes).
LES TUYAUX D’ASSAINISSEMENT
En amiante-ciment, ils existent en deux séries : série 6000 et série 9000, qui correspondent aux charges de rupture entre deux génératrices diamétralement opposées, exprimées en déca-newton par mètre carré de surface diamétrale projetée, ce qui permet de déterminer les charges de rupture à l’écrasement :
F = S × D
F = charge de rupture à l’écrasement entre génératrices diamétralement opposées, en daN/m
S = série en daN/m² Ø = diamètre intérieur ou nominal du tuyau
Les séries 6000 et 9000 peuvent également être offertes jusqu’au diamètre 2500 mm.
Pour les diamètres du tableau ci-après et jusqu’au diamètre 2000 mm, les tuyaux s’assemblent par des joints REKA, qui sont composés d’un manchon en amiante-ciment muni intérieurement de trois gorges :
- deux gorges latérales pour les bagues d’étanchéité en élastomère,
- une gorge centrale pour le dispositif de butée.
Le joint d’assainissement assure une parfaite étanchéité, tant aux pressions internes qu’externes, jusqu’à 0,5 bar. Au-delà du diamètre 2000 mm, le joint est composé d’une manchette en acier, similaire à celle utilisée pour l’assemblage des tuyaux de fonçage.
Sur le plan hydraulique, la faible rugosité de l’amiante-ciment (coefficient de rugosité absolue k = 0,03 mm), la conception des joints et leur espacement, supérieur ou égal à 5 mètres, sont particulièrement favorables.
SÉRIE 6 000
| Diamètre (mm) | Longueur (m) | Épaisseur (mm) | Charge rupture (daN/m) | Poids (daN/m) |
|---|---|---|---|---|
| 600 | 5 | 24 | 3 600 | 103 |
| 700 | 5 | 28 | 4 200 | 141 |
| 800 | 5 | 32 | 4 800 | 184 |
| 900 | 5 | 36 | 5 400 | 233 |
| 1 000 | 5 | 40 | 6 000 | 288 |
| 1 100 | 5 | 40 | 6 600 | 320 |
| 1 200 | 5 | 48 | 7 200 | 360 |
SÉRIE 9 000
| Diamètre (mm) | Longueur (m) | Épaisseur (mm) | Charge rupture (daN/m) | Poids (daN/m) |
|---|---|---|---|---|
| 600 | 5 | 29 | 5 400 | 126 |
| 700 | 5 | 34 | 6 300 | 172 |
| 800 | 5 | 39 | 7 200 | 226 |
| 900 | 5 | 44 | 8 100 | 284 |
| 1 000 | 5 | 49 | 9 000 | 351 |
| 1 100 | 5 | 50 | 9 900 | 400 |
| 1 200 | 5 | 58 | 10 800 | 436 |
Les débits admissibles peuvent être calculés par la formule de MANNING-STRICKLER, avec un coefficient de 105
Q = 105 . S . R^2/3 . I^1/2
Q = débit admissible en mètre cube par seconde
S = section mouillée en mètre carré
R = rayon hydraulique en mètre
I = pente en mètre par mètre
Les tuyaux d'assainissement utilisés couramment pour l'évacuation d'eaux usées ou pluviales, peuvent également servir dans la gamme des diamètres les plus importants comme caniveaux visitables ou comme passages piétons.
Les « galeries techniques » permettent de regrouper dans un seul caniveau différents conduits et de modifier les réseaux sans travaux importants.
LES TUYAUX POUR CANALISATIONS AVEC PRESSION
Les tuyaux avec pression en amiante-ciment sont fabriqués couramment jusqu'au diamètre 1000 mm inclus. Le cas échéant, il peut être offert des tuyaux de diamètres plus importants.
Pour la gamme de diamètres allant de 600 à 1000 mm, les pressions de service admissibles sont de l’ordre de 5 à 10 bars.
Les tuyaux en place sont soumis à deux sollicitations combinées : la pression interne et les surcharges d’écrasement, dont il est tenu compte. La méthode de calcul utilisée est celle du Projet de norme internationale ISO/DIS-2785 intitulé :
« Guide en vue du choix des tuyaux pour canalisations en amiante-ciment soumis à des charges extérieures avec ou sans pression intérieure ».
Les tuyaux avec pression en amiante-ciment de grands diamètres trouvent leur emploi dans de nombreux domaines. L'adduction d'eau potable et le transport d'eaux industrielles restent l'utilisation la plus fréquente ; cependant, les canalisations de refoulement d'eaux usées connaissent à ce jour un développement très important. En particulier, une conduite de grand diamètre permet d'évacuer les eaux d'égouts de plusieurs communes rurales en un point et de limiter le nombre de stations d'épuration. Avec l'amiante-ciment, l'homogénéité du réseau, tant gravitaire qu'avec pression, est possible.
LES TUYAUX DE FONÇAGE HORIZONTAL
La technique du fonçage horizontal permet de franchir des obstacles en évitant l’ouverture de tranchées, parfois gênantes pour la circulation, coûteuses ou même impossibles par suite des profondeurs nécessaires à la réalisation de l’ouvrage.
Les tuyaux mis bout à bout sont poussés dans le sol par des vérins hydrauliques. Au cours de cette opération, les efforts exercés sur la tranche des tuyaux peuvent être considérables, mais très compatibles, néanmoins, avec ceux que peut supporter l'amiante-ciment.
Les caractéristiques des tuyaux amiante-ciment, pour cet usage, ont été déterminées de façon à résister aux sollicitations combinées :
— de la poussée longitudinale à la mise en œuvre,
— de l'écrasement transversal dû au poids des terres et aux surcharges roulantes de la surface.
Tableau des caractéristiques des tuyaux amiante-ciment « Type fonçage »
| Diamètre nominal (mm) | Charge rupture (daN/m) | Poids (daN/m) | Épaisseur corps (mm) | Longueur (m) |
|---|---|---|---|---|
| 800 | 16 100 | 304 | 54 | 3-4-5-6 |
| 900 | 17 200 | 373 | 59 | 3-4-5-6 |
| 1 000 | 18 000 | 450 | 64 | 3-4-5-6 |
| 1 100 | 18 600 | 500 | 65 | 4-5 |
| 1 200 | 16 400 | 552 | 66 | 4-5 |
| 1 300 | 15 500 | 604 | 67 | 4-5 |
| 1 400 | 15 900 | 660 | 68 | 4-5 |
| 1 500 | 14 600 | 725 | 70 | 4-5 |
| 1 600 | 14 500 | 794 | 72 | 4-5 |
| 1 800 | 16 100 | 992 | 80 | 4-5 |
| 1 900 | 17 000 | 1 115 | 85 | 5 |
| 2 000 | 17 900 | 1 240 | 90 | 5 |
La conception du joint des tuyaux de fonçage permet d'assurer une étanchéité parfaite aux pressions internes et externes jusqu’à des valeurs de 0,5 bar. Ce joint est composé d'une manchette en acier protégé et de bagues d'étanchéité en élastomère.
Des gorges, usinées à l'extrémité du tuyau, reçoivent des bagues qui, comprimées par la manchette en acier, assurent l'étanchéité. Entre les tranches des tuyaux, une couronne en contre-plaqué répartit les efforts de poussée.
Un fonçage commence par l'exécution de deux puits :
- — l'un qui recevra les dispositifs de poussée,
- — l'autre qui accueillera la trousse coupante en fin de parcours.
Les efforts de poussée sont exercés sur les tuyaux à partir d'un point fixe par des vérins hydrauliques, à l'aide d'une couronne de répartition. En cas de fonçage particulièrement long, il est possible d'utiliser des stations de poussée intermédiaires.
Le tuyau de tête est muni d'une trousse coupante en acier. Les terres du front de taille sont évacuées par wagonnet ou tout autre moyen.
Dans le domaine du fonçage, les tuyaux en amiante-ciment ont apporté des avantages indéniables. Les extrémités tournées procurent entre deux tuyaux un plan d'appui parfaitement perpendiculaire à l'axe de la conduite. Ainsi, la poussée se répartit de façon uniforme sur la tranche du tuyau, réduisant les risques de déviation de la conduite.
La grande longueur unitaire des tuyaux (5 ou 6 mètres) diminue également le danger de déviation en limitant le nombre de joints. Le faible poids unitaire des tuyaux, malgré leur longueur, permet l'utilisation d'engins de manutention de puissance de levage réduite.
C'est avec des tuyaux de ce genre qu'on a pu réaliser des chantiers de fonçage importants et spectaculaires :
- — la traversée de la gare de triage de Strasbourg, fonçage unique de 250 mètres en diamètre 1 500 mm,
- — la déviation du ruisseau des Villes à Saint-Étienne, d'une longueur totale de 431 mètres en diamètre 1 400 mm réalisée en deux tronçons à partir d'une seule fosse de poussée.
Examinons plus particulièrement la réalisation du chantier de Lormont-Bassens, sur le territoire de la Communauté Urbaine de Bordeaux, chantier intéressant à plusieurs titres.
Une conduite d'assainissement devait franchir une butte de terre. La technique du fonçage était la seule utilisable en raison de la grande profondeur obligatoire et de la nature du terrain qui imposaient le blindage en cas de réalisation en tranchée ouverte. De plus, la présence d'une nappe phréatique très près du sol nécessitait une parfaite étanchéité de l'ouvrage.
La conduite a été réalisée en 7 tronçons de longueurs comprises entre 33 et 162 mètres :
- • tronçon 1 = 33 mètres
- • tronçon 2 = 122 »
- • tronçon 3 = 162 »
- • tronçons 4 & 5 = 80 »
- • tronçon 6 = 145 »
- • tronçon 7 = 103 »
TOTAL = 725 mètres
Des regards ont été réalisés à chaque changement de direction. La profondeur des puits variait entre 0,50 et 9,50 mètres. Le sol comprenait de la marne dure avec de nombreux passages rocheux et quelques poches de sable. Les avancements moyens ont été de 2,30 mètres par jour et par équipe.
LES FORAGES HORIZONTAUX
Dans des terrains de bonne qualité et pour des longueurs limitées à 35 mètres, il est possible de réaliser des forages horizontaux avec des tuyaux amiante-ciment. Cette technique est utilisable dans la gamme des diamètres compris entre 200 et 1 200 mm inclus. Une tarière procède à l'abattage des terres qui sont évacuées par une vis d'Archimède. La poussée sur les tuyaux se fait de façon similaire à celle des fonçages. La vitesse d'avancement avec ce procédé est bien plus rapide que celle du fonçage mais son application est malheureusement limitée à de petits ouvrages, en raison des risques de déviation et de la difficulté à transmettre à la tarière un mouvement de rotation sur une trop grande longueur.
CONCLUSION
Trois quarts de siècle après la découverte de l'amiante-ciment par Ludwig Hatschek, Eternit a su diversifier et développer l'utilisation des conduites en amiante-ciment et mettre sur le marché, aujourd'hui, des tuyaux atteignant le diamètre de 2 500 mm. La réussite technique de ce produit difficilement imaginable en 1901 laisse présager un avenir encore prometteur aux tuyaux amiante-ciment.
F. Delasalle.
