soutènement (suite)

Les pressions dans les terrains

Le creusement d’une excavation fait perdre aux terrains leur appui latéral et, de ce fait, modifie les contraintes à son voisinage. Sur la paroi, la contrainte orthogonale est annulée, mais la contrainte tangente à la paroi est augmentée ; le régime des contraintes initiales se reforme progressivement à l’intérieur du terrain. Une galerie est ainsi entourée d’un volume de terrain détendu face au vide, mais surcomprimé tangentiellement.

Le soutènement des galeries

Si le terrain délimitant l’excavation résiste à ces contraintes déséquilibrées, un soutènement est inutile. C’est un cas fréquent dans les mines métalliques, où, comme dans les grottes naturelles, des vides restent indéfiniment ouverts sans soutènement. Une roche dure résiste à une compression simple de plus de 1 000 bar, alors qu’à 1 000 m de profondeur la contrainte initiale verticale due au poids des terrains de recouvrement est de l’ordre de 250 bar. Sur la couronne d’une galerie de section rectangulaire, les terrains de recouvrement n’exercent aucune pesée ; celle-ci est reportée latéralement sur les parements, qui jouent un rôle analogue aux piles d’un pont. En revanche, la composante horizontale des contraintes, annulée sur les parements, est accrue à la sole et en couronne de la galerie.

Si la galerie est creusée dans des terrains feuilletés avec des bancs de dureté inégale, dont certains tendres, cas fréquent dans les houillères, le banc formant la couronne se comporte comme une poutre encastrée à ses deux extrémités, pressée horizontalement et soumise à son propre poids ; il s’incurve vers le vide, puis se casse au milieu et au droit des appuis, où la courbure est maximale. Cette pliure de la couronne se propage dans les bancs du dessus, en s’atténuant progressivement jusqu’à une hauteur d’environ la largeur de la galerie avec diminution de la largeur intéressée par l’incurvation, de sorte qu’il se forme au-dessus de la galerie un dôme de quelques mètres de hauteur de terrains plies en V et affaissés, réduisant la hauteur de la galerie. Les terrains de ce dôme sont plus ou moins disloqués par leur pliure, et, bien que la sorte d’arc-boutement dû à la poussée latérale contribue à les maintenir, leur équilibre est instable ; un soutènement pouvant supporter le poids de plusieurs mètres de hauteur de terrain, soit de l’ordre d’une vingtaine de tonnes par mètre courant de galerie, est nécessaire. Pour garder à la galerie une hauteur suffisante, il est souhaitable que le soutènement freine et, si possible, empêche cette incurvation en V de la couronne. Pour cela, on le met en place aussi près que possible du front d’avancement, afin que les bancs n’aient pas encore eu le temps de s’affaisser. Ce soutènement doit être suffisamment robuste pour résister à la pesée du dôme déconsolidé, conjuguée avec la poussée horizontale.

Un mouvement analogue, en sens inverse, se produit à la sole de la galerie ; sous la pression verticale transmise par les parements, les bancs tendres de la sole se laminent au droit des parements et, sous la poussée horizontale, ils gonflent vers le vide en faisant casser les feuillets du dessus qui s’opposeraient à ce gonflement. On dit que la sole « souffle ». Des feuillets de terrain sont décollés, et il peut se former des vides entre eux.

Dans les parements, les bancs tendres ne résistent pas à la pression verticale et se laminent, ce qui reporte la pression à l’intérieur des terrains ; vers le vide, ils gonflent et poussent. Des terrains homogènes se fracturent sous la pression en plaques verticales, à la façon d’une éprouvette de béton comprimée sous une presse.

L’humidité de l’air et l’eau, si elle imprègne la sole, accentuent ces effets, car les roches humides sont moins résistantes.

Galeries sans soutènement ou avec soutènement léger

Il existe des situations intermédiaires, où la galerie est creusée dans des roches dures, mais qui ont des plans faibles, des diaclases, des fissures plus ou moins ouvertes, qui risquent de se recouper en « chapeau de gendarme » ou de se détacher en placages. Si le risque est faible, on laisse la galerie sans soutènement, mais on sonde et l’on purge périodiquement la couronne en frappant avec une tige métallique les points douteux ; si ceux-ci sonnent le creux, on fait tomber les placages à l’aide du pied-de-biche de l’extrémité de la « sonde » (ou « pince ») ; le purgeage est indispensable après un tir d’avancement. Dans d’autres cas, pour que la sole de la galerie ne soit pas encombrée par les blocs détachés de la couronne, on préfère mettre en place, pour supporter ces blocs, un soutènement léger, qui, pour bien remplir son rôle, doit être appuyé contre le terrain sur tout son périmètre par un « garnissage » remplissant les vides avec des pierres ou des bois.

Soutènement traditionnel des galeries

Le soutènement traditionnel en cadres de bois est constitué d’un chapeau appuyé contre la couronne plate par deux montants latéraux. Si la couronne pousse pour s’infléchir en V, le chapeau peut casser en son milieu ; le soutènement en est affaibli sans perdre toute efficacité, car les deux morceaux du chapeau restent liés par les fibres du bois et contribuent à maintenir l’équilibre de la couronne. Plus la galerie est large, plus le chapeau supporte une charge importante, alors que la résistance à la flexion d’un chapeau plus long diminue. Aussi dans de mauvais terrains diminue-t-on la largeur en couronne de la galerie en donnant à celle-ci une section trapézoïdale, avec montants obliques assemblés à double entaille avec le chapeau pour qu’ils ne glissent pas. Les montants peuvent aussi casser par compression-flambage, en raison de la pesée transmise par le chapeau, à laquelle s’ajoute la poussée latérale du parement. Un soutènement en bois ne peut pas empêcher le gonflement des terrains tendres ; il casse inévitablement si sa compressibilité est insuffisante, malgré tous les renforcements qu’on a pu lui apporter. Pour donner de la compressibilité verticale, il faut que les montants s’enfoncent dans la sole, ce qui arrive si celle-ci est assez tendre, ou bien tailler le bas des montants en biseau pour leur permettre de pénétrer plus facilement dans la sole ou de s’écraser dans leur pied biseauté.