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GEOENDOSCOPIE : APPLICATION AU DIAGNOSTIC DES RESEAUX TECHNIQUES URBAINS SOUTERRAINS EN SERVICE

HADDANI Younes1, 2, BREUL Pierre1, GOURVES Roland1, BONTON Pierre3 1Lermes – C/U/S/T Univ. Blaise Pascal – Clermont II. Campus univ. des Cézeaux. 24, av. des landais – BP206 63174 Aubière Cedex 2Sol Solution – ZAC des portes de Riom Nord – 63200 Riom 3Lasmea – 24 Av des Landais 63177– 63177 Aubière Cedex

RESUME : Nous présentons dans cet article une méthodologie complète, compacte et rapide d’exécution pour le diagnostic des réseaux techniques urbains souterrains en service et le suivi des travaux d’injection. Cette méthodologie repose sur l’utilisation conjointe du géoendoscope et du pénétromètre dynamique léger Panda. Les atouts de cette nouvelle technique (essai in situ, faible encombrement, rapidité d’exécution et automatisation) permettent de bien s’adapter au contexte urbain (site d’accès difficile et limité, variabilité importante des milieux sondés, présence de réseaux…).L’état de la structure est déterminé grâce à des outils d’analyse d’images, images obtenues dans un forage destructif de faible diamètre et acquises par le géoendoscope. Cette procédure permet de prendre en compte l’ensemble du complexe sol/structure et notamment l’interaction de ces deux éléments. La géoendoscopie permet également d’évaluer l’efficacité des travaux d’injection par une méthode colorimétrique de suivi de coulis. MOTS-CLEFS : géoendoscopie, analyse d’images, diagnostic, site urbain ABSTRACT :This article deals with a whole light and fast technique for urban technical underground networks structural diagnosis. This technique is based on the coupled use of the geoendoscope and the light dynamic penetration test. The assets of these new technologies (in situ test, light, small size, fast test and automatic analysis) make it easy to adapt to urban environment (difficult access sites, large variability of the tested soil, underground network presence). The structure state is described thanks to image analysis routines working on images taken in a small diameter destructive drilling by the geoendoscope. This technique takes into account the whole complex soil/structure as well as the interaction of these two elements. The geoendoscopy is also used to control structures after injection works.

KEY-WORDS : géoendoscopy, image analysis, diagnosis, urban site

1. Introduction

Le développement de la civilisation autour des sites urbains a entraîné une forte concentration de tous les réseaux que l’homme a mis en place pour son confort ainsi que pour communiquer et notamment de tous les réseaux techniques urbains (RTU) qui regroupent les réseaux d’assainissements urbains, les réseaux d’électricité et de gaz, les réseaux de télécommunications, les réseaux de transport...

Parmi ce patrimoine des réseaux techniques urbains, une partie considérable est souterraine et se trouve dans le sous-sol urbain qui est un site fortement remanié, hétérogène, composé de remblais récents ou anciens aux caractéristiques complexes (matières organiques, remblais, déchets de démolition….).

Le contexte géologique, hydrogéologique et géotechnique souterrain génère des contraintes qui accélèrent le vieillissement de ces ouvrages, leur durée de vie et de performance s’en trouve fortement réduites. Vu l’importance qu’ont pris ces réseaux dans l’usage permanent qui en est fait dans les sites urbains, la moindre défaillance peut entraîner des conséquences considérables quant au confort des usagers ainsi qu’au niveau environnemental, et/ou structural... C’est pour maintenir un niveau de service convenable qu’il est nécessaire de surveiller ces ouvrages pour déceler et

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même prévoir les désordres susceptibles de se produire et donc anticiper d’éventuels travaux de maintenance ou de réhabilitation.

Cependant, compte tenu du contexte urbain et de sa variabilité, il est nécessaire d’avoir à sa disposition des outils permettant de réaliser des sondages rapides et peu onéreux pour pouvoir les multiplier. Voilà pourquoi nous avons mis au point une procédure de diagnostic général de réseaux techniques urbains enterrés mettant en jeux des outils légers, peu encombrants, permettant d’intervenir discrètement dans ce type d’ouvrages en service qui sont souvent difficiles d’accès. Cette technique, à l’heure actuelle, s’applique uniquement aux ouvrages visitables.

Après avoir présenté la technique de réalisation des essais, nous aborderons la procédure de mise place de la détection automatique des discontinuités structurales (fissures, zones dégradées, vide au contact sol/structure) ainsi que la détermination de l’état du terrain encaissant (état de serrage, présence de cavités, possibilité d’injectabilité). Le problème de la vérification et de suivi d’injection sera également abordé.

2. Présentation de la technique

L’essai géoendoscopique consiste à acquérir des images d’un forage destructif (suite à un essai mécanique ou tout autre essai de pénétration) à l’aide d’un vidéo-endoscope souple de faible diamètre (Breul et Gourvès, 2002).(cf. figure1)

Figure 1.Schéma de principe et photographie in situ du matériel géoendoscopique

Une fois les images acquises, le travail consiste à extraire des informations pertinentes d’un point de vue géotechnique et à mettre au point des analyses automatiques permettant de donner des valeurs fiables des caractéristiques étudiées. (Breul et Gourvés, 1999) Ainsi, nous avons mis en place des procédures de caractérisation :

• de la texture qui nous permet de dissocier les matériaux fins des matériaux plus grenus. Les paramètres de texture regroupent : -deux paramètres statistiques issus de l’étude de l’histogramme de répartition des niveaux de gris de l’image : L’écart type (EC) et le coefficient de variation (CV) vont exprimer la présence de zones d’ombre et de zones éclairées. Plus un matériau est grenu plus il y a d’ombres et donc plus l’écart type est élevé et vice versa. -Un paramètre issu de l’analyse spectrale de l’image (moment M3) qui caractérise la répétition d’une trame (grain) dans l’image.

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Ces paramètres de texture permettent de classer en partie le matériau selon une classification granulométrique (G.T.R par exemple, (SETRA, 1994)).

• colorimétrique qui permet un découpage stratigraphique automatique Les paramètres de couleur regroupent : La teinte (H) ou tonalité chromatique qui définit la nature de la couleur (jaune, vert, bleu…) La saturation (S) qui correspond à la pureté de la couleur. Elle rend compte de la caractéristique d’une couleur à contenir plus ou moins de blanc. Par exemple le rouge et le rose ont la même teinte (rouge) mais le rose est moins saturé que le rouge car il contient plus de blanc. L’intensité (I)ou luminance qui correspond à l’énergie du spectre de la couleur. Plus une couleur est claire, plus son intensité est importante. Le blanc (luminosité=1) et le noir (luminosité=0) sont les deux cas extrêmes. Par ailleurs, toute couleur peut être considérée comme un mélange additif de trois couleurs le rouge (niveau de rouge), le vert (niveau de vert) et le bleu (niveau de bleu).

• granulométrique : la courbe granulométrique peut être calculée par analyse d’images pour des matériaux ayant des grains inférieurs à 5 mm.

3. Application aux réseaux techniques urbains souterrains

Le diagnostic structural des ouvrages souterrains met en jeu l’interaction de différentes composantes qui sont autant de problématiques spécifiques : caractérisation du sol urbain, milieu souvent remanié dont on ne connaît pas toujours l’histoire mécanique, méconnaissances des ouvrages souterrains par manque d’informations historiques ou archivées tant au niveau de la construction qu’au niveau de l’exploitation de ces ouvrages, ainsi que la complexité des interactions entre le sol et la structure. Nous traiterons tout d’abord le diagnostic de la structure par géoendoscopie en mettant en exergue les caractéristiques des discontinuités de la structure grâce à des outils basés sur l’analyse d’image et la morphologie mathématique. (Coster, 1989) Nous envisagerons par la suite la problématique du diagnostic global des réseaux techniques urbains enterrés en utilisant le couplage entre les essais pénétrométrique et géoendoscopique.

3.1. Etude des discontinuités d’une structure

Nous nous sommes inspirés de l’étude des discontinuités des roches (CETU, 1998), que nous avons appliqué aux structures. Le terme « discontinuité » que nous utilisons ici définit toute interruption physique de la continuité de la structure ; ce terme regroupera essentiellement les fissures ainsi que les zones dégradées. L’étude de ces discontinuités consistera à déterminer les caractéristiques suivantes :

• la densité des discontinuités affectant la structure • l’orientation des discontinuités • l’ouverture des discontinuités.

- Densité de discontinuité ou densité de fracturation Nous utiliserons comme indice de fracturation l’intervalle entre les discontinuités (ID).

Cet indice se mesure par le passage du géoendoscope dans un sondage destructif de la manière suivante : les longueurs (i) des intervalles découpés par les discontinuités adjacentes successives sont mesurées selon la direction du forage. On retient la valeur moyenne des longueurs (i) comme la valeur de (ID) : cet indice correspond à la longueur moyenne des zones saines et homogènes.

Pour reconnaître les discontinuités grâce à des critères quantitatifs et de façon automatique pour s’affranchir d’une interprétation visuelle, nous avons tout d’abord mis en place un protocole de paramétrage des différents matériaux présents dans les structures. ( Haddani, 2001)

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Ce paramétrage consiste à déterminer les valeurs caractéristiques des matériaux par rapport à nos critères géoendoscopiques de texture et de couleurs, et ce, à différents degrés de dégradations. (cf. figure 2) La prise d’images a été effectuée sur des carottes issues de campagne de reconnaissances antérieures ; chaque carotte a été filmée suivant ses quatre génératrices.

Figure 2. Im

A partir des valeurs caractéseuils des paramètres permettant deou trous dans la structure, les meuliède liant ou liant détérioré).

Par exemple, en ce qui concdominante est le rouge/rouille (I>1couleurs passent du rouge au blanc sLa texture est accidentée et ressembfaibles (M3<0,34).

La phase de validation a condes carottes issues de campagnes an

Meulière dégradée Micro fissuration Macro fissuration

ages de structures saines et endommagées

ristiques de chaque échantillon étudié, nous avons établi les caractériser les différents matériaux et notamment les fissures res dégradées (oxydées) ou les maçonneries dégradées (manque

erne les images de meulière, ce sont des images dont la couleur 60, S>0,15) qui sont contrastées (EC>30 et CV<30) car les uivant l'état de dégradation. le à celle du sol lunaire impliquant des valeurs du moment M3

sisté dans un premier temps à tester les seuils mis en place sur térieures.

Béton sain

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Les résultats de chaque essai sont présentés sous la forme de graphiques donnant l’évolution des différents paramètres géoendoscopiques en fonction de la profondeur. (cf. figure 3)

Figure 3. Document résultat du diagnostic de maçonnerie par géoendoscopie

Nous avons également placé des droites qui matérialisent les valeurs seuils issus de la phase de paramétrage. A chaque fois que les paramètres relatifs à un critère dépassent les valeurs seuils, l’anomalie est reportée sur la carotte virtuelle reconstituée par analyse d’images. Une fois que ces seuils ont été validés sur des carottes, les essais ont été transposés dans un forage destructif de faible diamètre.

Les essais géo-endoscopiques réalisés ont eu un taux de réussite supérieur à 85% par rapport aux essais classiques, ce qui montre la robustesse des seuils mis en place. (Breul et al, 2002)

Une fois que la procédure de détection des discontinuités a été validée, nous avons cherché à enrichir l’information relative à ces discontinuités grâce à une description détaillée des anomalies rencontrées.

- Orientation et ouverture des discontinuités

Parmi l’ensemble des descripteurs à notre disposition pour caractériser les discontinuités, nous avons privilégié l’ouverture et l’orientation des anomalies. Les procédures automatiques concernant ces caractéristiques sont en cours de réalisation. En effet, l’ouverture des discontinuités est une information importante tant pour caractériser l’état de dégradation de la structure que pour le choix du coulis d’injection pour les travaux de réhabilitation.

zone saine

zone dégradée

ANALYSE ENDOSCOPIQUEANALYSE ENDOSCOPIQUEANALYSE ENDOSCOPIQUEANALYSE ENDOSCOPIQUE CAROTTE 8CAROTTE 8CAROTTE 8CAROTTE 8 Maçonnerie cassée, CT argileux Maçonnerie cassée, CT argileux Maçonnerie cassée, CT argileux Maçonnerie cassée, CT argileux

Nombre de fissures 5Nombre de zones dégradées 3Pourcentage de dégradation 10%< <30%

Etat de la carotteEtat de la carotteEtat de la carotteEtat de la carotte MoyenMoyenMoyenMoyen

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Prof

onde

ur e

n m

Ecart Type Coef. Var. Teinte

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Intensité Niv. De Bleu

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

M3 Saturation

fissure

fissure

fissure

fissure

zone dégradée

fissure

zone dégradée

zone dégradée

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L’orientation quant à elle rend compte de l ‘état de contrainte de la structure vis à vis de son milieu environnant. L’orientation des fissures est donnée par trois angles (α, β, θ) suivant les schémas de la figure 4 :

L’angle α correspond à l’angle fait par la direction du forage par rapport à la verticale; cet angle est généralement l’angle droit.

L’angle β correspond à l’angle fait par la génératrice du forage auscultée par rapport à l’horizontale.

L’angle θ correspond à l’angle fait par la direction de la fissure par rapport à l’axe des abscisses de l’image lorsque les épontes sont parallèles, dans le cas contraire les deux angles sont pris en compte.

Figure 4. Schémas des trois angles d’orientation des fissures

θ

d

α

Structure à diagnostiquer

Forage destructif

verticale

β

Forage destructif

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L’ouverture des fissures peut être calculée directement sur l’image lorsque les deux lèvres de la fissure y sont présentes.

(…)

Figure 5.caractérisation des angles d’ouverture dans le cas de la macro fissuration

Dans le cas de la macro fissuration, l’ouverture est calculée par différence de profondeur car on connaît précisément la position de chaque image et l’ouverture est donnée par les deux angles correspondant aux deux épontes. (cf. figure 5)

L’ouverture des fissures est également un élément essentiel pour la formulation des coulis d’injection en phase de réhabilitation ; en effet, plus les fissures sont fines plus la viscosité du coulis doit être faible. Ainsi, les informations relatives aux discontinuités permettent d’optimiser les travaux éventuels de réhabilitation par injection. Le diagnostic géoendoscopique des structures consiste donc à décrire grâce à des paramètres qualitatifs robustes les discontinuités présentes dans la structure. Cependant, ce diagnostic n’est pas une fin en soi, il s’intègre dans une méthodologie plus globale qui consiste à caractériser le fonctionnement général du complexe sol/structure.

θ1

θ2

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3.2. Diagnostic global d’un réseau technique urbain souterrain

Le déroulement du diagnostic global d’un RTU souterrain se fait en trois étapes (cf. figure 6) : • forage destructif de la structure (Ø = 22 mm) • essai de pénétration dynamique PANDA (cf. norme) • essai géoendoscopique.

Les essais réalisés permettront de caractériser d’une part l’état intrinsèque de la structure et l’état de serrage du terrain encaissant d’autre part mais aussi l’état du contact entre la structure et l’encaissant.

Figure 6.Diagnostic global d’une canalisation visitable (180 * 100) a - Réalisation des essais pénétrométriques PANDA

b - Réalisation des essais géoendoscopiques

- Caractérisation de la structure La structure est diagnostiquée par la description des discontinuités par géoendoscopie suivant la procédure décrite dans le paragraphe 3.1 - Caractérisation de l’interface structure/encaissant par géoendoscopie Cette caractérisation consiste à mettre en évidence la présence éventuelle de vides entre la structure et le milieu encaissant. Concrètement, c’est le passage du géoendoscope après le forage destructif qui permet de qualifier l’état du contact. - Caractérisation de l’encaissant par couplage PANDA/géoendoscope Les essais pénétrométriques réalisés dans le terrain encaissant permettent de le caractériser mécaniquement et de trouver sa stratigraphie. (Gourvès, 1991)

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Le couplage des informations géoendoscopiques et mécaniques permet d’enrichir considérablement la caractérisation de l’encaissant. (cf. figure 7)

Figure7.Exemple du couplage des résultats géoendoscopiques et pénétrométriques

En effet, d’une part le pénétrogramme permet de détecter des couches qui ont une même résistance mécanique, mais deux matériaux différents qui ont la même résistance mécanique ne seront pas différenciés. D’autre part, la géoendoscopie permet de détecter les matériaux qui ont les mêmes caractéristiques géoendoscopiques et donc physiques (couleur, texture…), mais pour un même matériau qui a été compacté sur deux couches avec des objectifs de densification différents, l’endoscopie ne distinguera pas les couches.

Concrètement, le passage d’une couche à une autre est détecté par la variation brusque d’un ou plusieurs paramètres géoendoscopiques. Dans l’exemple cité (cf. figure 7), le passage de la couche 2 à la couche 3 est détecté d’une part par l’augmentation de deux paramètres colorimétriques (intensité et niveau de bleu), ce qui est synonyme du passage d’un matériau sombre à un matériau plus clair. D’autre part, la diminution des paramètres statistiques de texture (écart-type et coefficient de variation) indique le passage d’une couche de matériau grenu à une de matériau plus fin. Par ailleurs, l’analyse comparative en vis à vis du pénétrogramme et des paramètres géoendoscopiques du même sondage montrent une bonne concordance en ce qui concerne la stratigraphie mise en évidence par les deux techniques. En effet dans l’exemple étudié, le sol sondé est composé de deux couches de matériaux distincts tant au niveau de leur nature physique qu’au niveau de leur état de serrage.

Ainsi en effectuant ce couplage, nous pourrons distinguer tous les cas de figure précédemment cités.

AbscisseAbscisseAbscisseAbscisse RV2 +36RV2 +36RV2 +36RV2 +36 PositionPositionPositionPositionANALYSE ENDOSCOPIQUE ANALYSE ENDOSCOPIQUE ANALYSE ENDOSCOPIQUE ANALYSE ENDOSCOPIQUE ESSAI N°6ESSAI N°6ESSAI N°6ESSAI N°6

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

0 20 40 60 80 100

Prof

onde

ur e

n m

Ecart Type Coef. Var.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

0 50 100 150 200

Intensité Niv. De B

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

M3 Saturation

Maçonnerie altérée

Materiau grenu noir sablo-graveleux

Materiau fin argileux blanc/beige+inclusions de gypse

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Par ailleurs, les caractéristiques physiques de l’encaissant trouvées par géoendoscopie et son état de serrage fourni par le pénétrogramme permettent d’envisager l’évolution du terrain dans le temps.

4. Exemple d’application : suivi des travaux d’injection

Des travaux ont été réalisés pour mesurer l’efficacité de la réhabilitation par injection d’une canalisation visitable au niveau du terrain encaissant. Dans un premier temps, nous avons analysé les caractéristiques colorimétriques d’une zone de coulis en place afin de déterminer des seuils permettant de caractériser automatiquement la présence de coulis dans le sondage fait dans le terrain encaissant. Les plages de valeurs trouvées sont les suivantes :

Tableau1.Plages de valeurs des paramètres géoendoscopiques du coulis

Grâce à ces seuils, la présence de coulis a pu être mise en évidence dans la zone réhabilitée. Les plages des valeurs caractéristiques du coulis sont élargies du fait du mélange du coulis et du terrain en place. La coloration du coulis pourrait faciliter la détection de ce dernier. En effet, le choix d’une couleur bien distincte de celle du terrain encaissant améliorerait le contraste et donc la détection de présence. Des essais géoendoscopiques similaires sont envisagés pour le suivi de travaux d’injection au niveau de la structure elle-même.

5. Conclusions et perspectives

Cet article a tenté de montrer l’intérêt de la géoendoscopie pour le diagnostic des réseaux techniques urbains souterrains en service. Comme nous l’avons vu, cette technique permet une caractérisation des géomatériaux par analyse d’images de manière automatique. Couplée à un essai mécanique elle permet d’obtenir une caractérisation relativement complète (caractéristiques physiques et état de serrage) de l’ensemble des parties d’un ouvrage (structure, contact et encaissant). Des études complémentaires (recherche de nouveaux paramètres de texture notamment) seront nécessaires pour permettre de mieux dissocier des matériaux dont les caractéristiques sont très proches.

Le faible encombrement de cette technique et la rapidité d’exécution des sondages permettent de réaliser un nombre élevé d’essais dans des endroits d’accès difficiles et sur des ouvrages en service. De plus, le couplage de cette technique avec les divers essais géophysiques permettra de mettre en place un protocole complet, efficace et rapide de diagnostic de grands linéaires de structures souterraines.

Des travaux sont actuellement en cours de réalisation pour la mise en place de procédures permettant l’estimation d’indice des vides ainsi que l’évaluation du volume des cavités présentes soit dans les structures soit dans les terrains encaissants afin de prévoir et de suivre des travaux de réhabilitation. Par ailleurs, la description micromécanique des géomatériaux en tenant compte des phénomènes d’anisotropie constitue une autre perspective du travail à venir.

Niveau de bleu Niveau de vert Niveau de rouge Teinte Saturation Intensité[95 - 110] [115 - 130] [115 - 130] [0,9 - 1,05] [0,165 - 0,175] [60 - 90]

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Remerciements : Les auteurs remercient le Réseau Génie Civil et Urbain et le ministère chargé de la

Recherche et de la Technologie ainsi que le ministère de l’Equipement pour leur participation et leur aide au développement de ce projet. Ce travail a été réalisé grâce une collaboration entre l’entreprise Sol Solution et le laboratoire LERMES dans le cadre d’une bourse CIFRE.

6. Bibliographie

Breul P. Caractérisation endoscopique des milieux granulaires couplée à l’essai de pénétration, Thèse de docteur- ingénieur de l’Université de Clermont-Ferrand, pp280, 1999

Breul P., Gourvès R. Caractérisation endoscopique des milieux granulaires couplée à l’essai de Pénétration. Revue française de géotechnique, 1999

Breul P., Gourvès R., Haddani Y. Géoendoscopie : application à la reconnaissance et au diagnostic en site urbain. Revue française de géotechnique, 2002

CETU. Dossier pilote des tunnels-Section2 : géologie, hydrogéologie-géotechnique, 1998

Coster M. Chermant J.L. Précis d’analyse d’images. Ed.CNRS., 1989

Gourvès R. Le PANDA : Pénétromètre dynamique léger à énergie variable pour la reconnaissance des sols. Laboratoire LERMES. Université Blaise Pascal, 1991

Haddani Y. Développement de la géoendoscopie aux sols saturés et au diagnostic d’ouvrages enterrés – mémoire d’ingénieur CUST . pp 60-92., 2001

SETRA. Remblayage des tranchées et réfection de chaussée – guide technique. (fascicules 1 et 2)., 1994