recommandation de l`aftes n°gt6r4f1

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ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS
ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN
Organisation nationale adhérente à l’AITES
www.aftes.asso.fr
Recommandations
de l’AFTES
Technologie du Boulonnage
GT6R4F1
14_31recoGT6 fr_Mise en page 1 18/02/2014 13:03 Page14
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RECOMMANDATION DE L’AFTES N°GT6R4F1
Technologie du Boulonnage
Tous droits de reproduction, traduction, adaptation, totales ou partielles sous quelques formes que ce soit sont expressément réservés
Texte présenté par Paul ROUX (Spie batignolles TPCI)
Animateur du groupe de travail
Ce document a été réalisé avec la collaboration de :
Patrick BIENFAIT (Egis Tunnels) - Stéphane BLOND (Bec Fayat) - Anne BOUVARD (Tractebel Engineering) - Guy CUEILLE (Retraité) - Sylvain ECKERT (Vicat)
Michèle FEMELAND (CETU) - Romain GARNERO (Spie batignolles TPCI) - Daniel GILLE (Atlas Copco) - Christophe JASSIONNESSE (GEOS)
Philippe KOENIG (Atlas Copco) - François LAIGLE (EDF/CIH) - Bernard LASNE (Consultant) - Renzo MARUCCO (Mecsider)
Patrick SABY (Metal Service/Thema) - Rémy WITTMANN (Minova)
Cette recommandation a été approuvée par le Comité Technique de l’AFTES suite à une relecture critique du texte par :
Pierre HINGANT (EGIS) - Alain MERCUSOT (CETU) - Jean PIRAUD (ANTEA) - Loïc THEVENOT (EIFFAGE) - Jean LAUNAY (VINCI) - Christian PLINE (GEODATA)
L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.
Sommaire
1 - Introduction : définition et typologie du boulonnage
3-
4 - Ancrages
22-
1.1 - Boulons à ancrage ponctuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
4.1 - Ancrage ponctuel ou ancrage mécanique . . . . . . . . . . . . . . .22
1.2 - Boulons à ancrage réparti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
4.2 - Scellement à la résine ou au coulis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
1.3 - Boulons mixtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
4.3 - Boulons à friction à expansion hydraulique . . . . . . . . . . . . .29
1.4 - Boulons à friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.5 - Boulons coulissants et autres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
4.4 - Boulons à friction enfoncés par percussion (à force) . . . . . .31
4.5 - Ancrage mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
4.6 - Boulons autoforeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
1.6 - Boulonnage de front . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.7 - Boulonnage de radier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
2 - Foration
12-
2.1 - Techniques de foration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
5 - Securité de la phase boulonnage
5.1 - Textes de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
5.2 - Evaluation et analyse des risques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
5.3 - Mesures à prévoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
2.2 - Exécution de la foration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
2.3 - Travaux spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
35-
6 - Contrôle du boulonnage
38-
6.1 - Principes de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
17-
6.2 - Contrôle des constituants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.1 - La tige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
6.3 - Modes opératoires des essais de traction
et d'arrachement sur boulons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
3 - Boulons
3.2 - Pointe ou dispositif d’ancrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
6.4 - Surveillance des boulons en cours de chantier . . . . . . . . . .44
3.3 - La tête . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
3.4 - La plaque de répartition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
3.5 - Protection contre la corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3.6 - Caractéristiques utiles au dimensionnement . . . . . . . . . . . .21
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7 - Matrice d’interprétation
45-
1 - Introduction : définition et typologie du boulonnage-
Ce type de boulon peut de plus être mis en œuvre en cas de venues d’eau dans
le forage.
Les caractéristiques standard sont des diamètres de 16 à 20 mm pour des
longueurs comprises entre 1,50 et 3,00 m.
Cette recommandation traite (Fig. 1) :
• du boulonnage radial, voûte, piédroits, radier
• du boulonnage de front (longitudinal)
• du boulonnage par enfilages longitudinaux obliques
Vissage sur la plaque
Le boulonnage peut être complété par d’autres moyens de soutènement :
cintres, béton projeté, treillis…
noix
coins
Vissage dans la noix
Boulonnage radial
Boulonnage longitudinal
du front
Boulonnage longitudinal,
enfilage
Fig. 1 - Schéma des différents types de boulonnage utilisés.
Elle se limite aux travaux utilisant des matériels courants. Les technologies
spécifiques faisant appel à des matériels particuliers comme les boulons de
très grande longueur (au-delà de 15m, câbles ou tirants) ne sont pas traitées.
La longueur des boulons radiaux est en générale comprise entre 1/3 et 1/2 de
la plus grande ouverture transversale de l’excavation. De ce fait, pour des
ouvrages classiques, leur longueur n’excède pas 6 m. Pour le boulonnage
longitudinal, la longueur des boulons se situe classiquement entre 8 et 15 m.
Fig. 2 - Schéma du boulon à ancrage ponctuel.
1.2 - Boulons à ancrage réparti
Le boulonnage à ancrage réparti consiste à sceller des barres métalliques (ou
autres) sur toute leur longueur dans le trou d’ancrage. Le produit de scellement
est généralement de la résine, du mortier de ciment ou du coulis (Fig. 3).
D’une manière générale cinq grands types de boulons sont à distinguer :
1.1 - Boulons à ancrage ponctuel
Le scellement réparti sur toute la longueur du trou d’ancrage garantit une bonne
pérennité du boulon.
Le boulonnage à ancrage ponctuel consiste à relier le plan de la surface excavée
à un point profond de roche intacte. L’ancrage est généralement assuré par un
dispositif mécanique (Fig. 2) mais peut occasionnellement être associé à un
scellement de la barre en fond de trou par résine.
barre
Classiquement, l’ancrage en fond de trou s’obtient par un blocage d'une coquille
d'expansion sur la paroi du trou suite à l’enfoncement d’un coin par traction
mécanique obtenue par vissage. La mise en tension du boulon par précontrainte
– induite par serrage de l’écrou de tête ou par expansion ou décompression
des terrains – est indispensable pour obtenir une efficacité optimale de ce système de soutènement.
écrou
Plaque d’appui simple
Fig. 3 - Schéma du boulon à ancrage réparti.
1.2.1 - Scellement à la résine
L’avantage majeur du boulonnage à ancrage ponctuel est sa mise en œuvre
rapide ainsi que son efficacité immédiate. Cette efficacité ne se maintient cependant dans le temps que si la roche ne flue pas au voisinage de l’ancrage.
La résine est généralement introduite sous forme de cartouches dans le trou
d’ancrage.
TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°241 - Janvier/Février 2014
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Le boulonnage, dont la technologie est l’objet de cette recommandation,
constitue l’un des éléments les plus fondamentaux intervenant dans les techniques de soutènement des tunnels principalement réalisés par méthode
conventionnelle.
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Ce type de scellement est habituellement utilisé pour des boulons jusqu’à 4 m
de longueur, son efficacité est de l’ordre de 5 à 15 minutes.
1.2.2 - Scellement au mortier
1.3 - Boulons mixtes
Dispositif
d’ancrage mécanique
Ce scellement consiste à enfoncer le boulon dans le trou d’ancrage préalablement rempli d’un mortier thixotropique permettant la tenue de ce mortier même
dans les trous verticaux forés en voûte ainsi qu’un très bon remplissage du trou
de forage.
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Ce type de scellement est habituellement utilisé pour des boulons de longueur
inférieure à 5m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du
mortier.
Tige d’acier
Forage de boulonnage
rempli de coulis ou
de mortier
1.2.3 - Scellement au coulis
Ce scellement consiste à injecter au coulis le boulon après sa mise en place
dans le trou de forage par l'intermédiaire d'un tube ou flexible attaché à la tige.
supérieure à 5 m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du
coulis.
Flexibles d’injection
et d’évent
Fig. 5 - Schéma de principe
du boulon mixte.
Certains boulons à friction peuvent être équipés d’un taillant perdu utilisé pour
la foration (autoforeurs) et deviennent mixtes par injection (Fig. 6).
1.2.4 - Cas particulier des boulons autoforeurs (Fig. 4)
Ce type de boulons consiste en une tige métallique creuse munie en son extrémité d’un taillant perdu utilisé pour la foration du trou d’ancrage. Le scellement
est effectué en injectant le produit de scellement par l’intérieur du boulon.
Le boulon autoforeur convient particulièrement aux terrains fracturés et pour
des grandes longueurs d’ancrage.
Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du produit de scellement
(coulis de ciment, mortier ou résine).
Ce type de boulon est également utilisé pour les enfilages.
Tige fabriquée en tubes de haute
qualité avec un pas de vis roulé
à froid (pas standard à corde
ou trapézoïdal)
Plaque bombée
en acier plat
formé à froid
écrou
Plaque
plane
Tube de protection
si nécessaire
Coulis
Divers types de taillants
permettent une foration
rapide dans les terrains et
roches de nature diverse
1. Boulon à friction
2. Plaque d’ancrage
3. Taillant
1.4 - Boulons à friction
Les boulons à friction sont des profilés métalliques creux et minces mis en
contact intime avec la roche, sur toute leur longueur, de façon à permettre une
tenue par friction. Leur efficacité est immédiate.
Cette friction entre le terrain et le boulon peut être assurée de deux façons
différentes :
• Soit par expansion hydraulique du profilé dans le trou de forage, par injection
d’eau sous pression à l’intérieur du dit profilé tube fermé (Fig. 7).
Manchon avec arrêt central permettant
un contact direct entre les tiges limitant
ainsi les pertes d’énergie
durant la foration
Fig. 4 - Schéma d’un boulon autoforeur type MINOVA SDA®.
4. Tige de foration
5. Anneau de frappe
6. Manchon
Fig. 6 - Schéma du boulon à friction autoforeur.
tube à expansion en acier
Plaque d’appui
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Le boulon mixte (Fig. 5) est un
boulon à ancrage ponctuel,
scellé dans un deuxième
temps par injection d'un produit de scellement.
Ces boulons présentent
l’avantage d’apporter une
efficacité immédiate grâce à
l’ancrage ponctuel, et de
pouvoir ensuite être injecté,
améliorant la pérennité et
renforçant ses performances.
Fig. 7 - Schéma du boulon type Swellex®.
D’autres systèmes destinés à absorber des déformations brutales de la roche
ont été développés, utilisant par exemple le déploiement d'éléments coudés
constituant quelques segments de la tige « D-Bolt® » (Fig.11).
Fig. 8 - Schéma du boulon type Split Set®.
Le boulon à friction travaille par frottement sur les parois du trou. Dans le cas
du Split Set®, la possibilité d’une injection et du scellement du profil augmente
la capacité de l'ancrage.
Fig. 11 - Shema du boulon type D-Bolt®.
1.5 - Boulons coulissants et autres
Il existe des boulons coulissants, adaptés aux conditions de « rupture brutale »
de la roche (« rock burst »).
Il peut s’agir de boulons de type
mixte comme le « Cone Bolt® » :
les efforts produits par la déformation brutale de la roche sont
transférés à la tige via la plaque
d’ancrage. Pour que ces efforts
atteignent la limite de fonctionnement en ancrage réparti, un
revêtement spécial de la tige
Fig. 9 - Schéma du boulon mixte
type Cone Bolt®.
favorise le glissement.
1.6 - Boulonnage de front
Le glissement de la tige dans le scellement entraîne le poinçonnement
du coulis par l'ancrage et permet un déplacement du boulon qui garde son
efficacité (Fig.10).
1.7 - Boulonnage de radier
Avant
rupture brutale
Cette technique est utilisée pour prévenir une déformation du front de taille,
les boulons sont mis en œuvre perpendiculairement au front.
La reprise du creusement dans le front boulonné nécessite l’utilisation de boulons facilement destructibles, habituellement en fibre de verre et scellés au
coulis de ciment sur toute leur longueur.
Pour des considérations géotechniques et de chantier, il s’agit surtout de boulons de grande longueur : 1,5 à 2 fois le diamètre de l’excavation. A l'avancement, les boulons sont mis en œuvre de façon à maintenir un recouvrement
d’environ 1/3 de leur longueur.
Dans certains cas, les radiers peuvent recevoir un confortement par boulonnage de type radial soit par des boulons métalliques, soit par des boulons en
fibre de verre pour des excavations réalisées en plusieurs phases dans des
terrains gonflants.
Après
rupture brutale
Fig. 10 - Schéma de fonctionnement du "cone bolt®".
(d’après McKenzie, R, Use of Cone Bolts in Ground Prone to Rockburst, Coal Operators' Conference,
University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 2002)
2 - ForationSelon les préconisations des fabricants, les diamètres de foration recommandés sont les suivants :
Type de scellement
Friction
Ponctuel
Split Set®
Swellex®
Résine
Mortier
Diamètre nominal (mm)
31 à 80
28 à 37
28 à 37
20 à 32
20 à 32
Diamètre foration (mm)
32 à 89
33 à 46
32 à 45
28 à 41
38 à 64
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• Soit par poussage en force d’un tube fendu dans le trou de forage, le diamètre
initial du profilé fendu étant supérieur à celui du trou (Fig. 8).
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Pour les boulons scellés aux mortiers le diamètre de foration dépend de la
qualité du terrain et de la longueur du scellement et il varie de 1,5 à 2 fois le
diamètre de la tige
Pour les boulons scellés à la résine, il convient d'être attentif aux performances
des forations pour le respect de l’enrobage optimum des tiges des boulons.
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2.1.3 - Autres modes de foration
2.1.3.1 - Foration par rotary - rotative par broyage (Fig. 14)
Ce mode de foration au tricône est réservé aux forages de grand diamètre
généralement non utilisés pour le boulonnage.
Fig. 14 - Foration
par rotary.
Dans des terrains de "forabilité normale", c’est-à-dire qui se forent sans
coincements excessifs, ni pertes de fluides et dans lesquels les trous peuvent
rester ouverts le temps nécessaire à la mise en œuvre du boulon sans
détériorations, les principaux modes de foration sont (Fig. 15 et Fig. 16) :
2.1.1 - Foration rotopercutante (rupture par rotation)
La foration rotopercutante (Fig. 12) est généralement conduite à l’aide de
jumbos équipés de marteaux hydrauliques. L’outil est une barre à l’extrémité
de laquelle est vissé un taillant.
Une méthode manuelle avec marteaux pneumatiques permet de forer des
trous de petit diamètre et de longueur limitée.
2.1.3.2 - Foration au marteau fond de trou
Ce mode de foration, peu utilisé pour le boulonnage, est réservé aux diamètres
importants de trous. Ce type de marteau transmet l'énergie de percussion
directement au taillant sans l'intermédiaire des tiges. Ces marteaux sont à air
comprimé et ont un diamètre courant variant de 80 à 500 mm.
Surface libre
Zone broyée
Zone fracturée
Rocher
Classes AFTES de Résistance
en Compression Uniaxiale RC
Direction du mouvement
Force d’impact
Marteau hors
du trou
Marteau fond
de trou
Rotary
Fig. 12 - Foration rotopercutante.
Rotation
2.1.2 - Foration rotative (avec écaillage)
Domaine
du boulonnage
Cette méthode réservée à certains terrains est très productive et permet des
diamètres de foration relativement petits.
Taillant
de foration
Direction
du mouvement
Découpe d’une tranche
par cisaillement
Diamètre de foration en mm
Fig. 15 - Abaque Eimco-Secoma n°1
Zone de foration
PERCUTANTE
Zone de
foration
rotative
FORTE
POUSSÉE
Zone de foration rotative
MOYENNE / FORTE POUSSÉE
Les perforatrices pour foration rotative (Fig. 13) sont dépourvues de frappe.
Le taillant est généralement bilèvres à pastilles de carbure de tungstène, ou
de diamant polycrystallin.
Classes AFTES d’abrasivité - AIN
2.1 - Techniques de foration
MOYENNE POUSSÉE
Rocher
Classes AFTES de dureté - DU
Fig. 13 - Foration rotative.
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Fig. 16 - Abaque Eimco-Secoma°2.
2.1.4 - Récapitulatif : données indicatives utiles
au boulonnage
Mode de foration
Diamètre
mini usuel
Diamètre
maxi usuel
Commentaires
Foration rotopercutante
(taillants)
32 mm
89 mm
Ø max = 127 mm
(fleurets monoblocs)
28 mm
34 mm
Ø min = 24 mm
Longueur limitée 3 m
55 mm
Possibilité de trous
de 15 m longueur
22 mm
Il existe aussi des machines équipées à la fois de bras munis d’une glissière
de foration pour l’avancement à l’explosif et d’un bras nacelle, à partir de
laquelle les opérateurs mettent en place les boulons.
2.1.5 - Outillage
L’outillage de foration est constitué de taillants, de tiges et d’accessoires de
liaison (manchons, emmanchement…).
Pour le boulonnage courant, les trous à réaliser sont de petit diamètre (inférieur
à 50 mm) et de longueur réduite (4 à 6 m). A partir de 6 m, les barres doivent
être manchonnées et les diamètres de foration sont plus importants.
également, et très souvent, des boulonneurs mécanisés complètement l’opération de pose. Ceux-ci sont équipés d’une glissière sur laquelle prennent place
l’outillage de foration, un magasin de boulons, et le mécanisme de mise en
place des boulons. Le magasin est généralement limité à 10-12 boulons (Fig.
18). La taille des plaques que l’on peut mettre dans ce magasin est limitée. Il
existe également des magasins et des systèmes de mise en place qui accommodent plusieurs types de boulons.
2.2 - Exécution de la foration
2.2.1 - Evacuation des cuttings
En tunnel, pour l’évacuation des cuttings, la foration avec injection d’eau est
préférée à la mousse ou à l’air comprimé.
Le nettoyage du trou se fait par curage et/ou soufflage à l’air comprimé lors
du retrait de la barre. Dans tous les systèmes de renforcement des terrains,
le nettoyage est nécessaire, mais il est primordial que le nettoyage soit effectué
avec un soin particulier dans le cas du boulonnage scellé, et en particulier
pour les scellements à la résine.
Fig. 18 - Tourelle de boulonnage.
2.2.2 - Machines de foration pour boulonnage
La mise en place d’un boulon s’effectue, de manière simplifiée en trois étapes :
• La foration d’un trou de boulonnage
• La mise en place du boulon
• Le serrage et/ou scellement
Plusieurs possibilités pour mécaniser la pose des boulons et plusieurs niveaux
de mécanisation existent.
La premère est d’utiliser le même jumbo pour la foration des trous de mine et
des trous du boulonnage (Fig. 17). Ces jumbos peuvent être équipés de glissières
télescopiques pour adapter les longueurs de foration aux forages d'abattage et
de boulonnage. Ces matériels peuvent être équipés d'articulations, pour pouvoir
se mettre en position de boulonnage (radiale)
avec une cinématique parfaitement adaptée.
Fig. 17 - Bras de foration mixte
foration / boulonnage.
Actuellement, des boulonneurs automatisés sont utilisés pour :
• Les boulons à ancrage mécanique ponctuel
• Les boulons à ancrage réparti, scellés à la résine
• Les boulons à friction de type Split Set®
• Les boulons à friction de type Swellex®
Pour les boulons à ancrage mécanique et les boulons à ancrage réparti scellés
à la résine, la tourelle de boulonnage est équipée d’une rotative qui permet
de serrer le boulon, ou de tourner la tige dans la résine. Certains boulonneurs
automatisés permettent la mise en place simultanée de grillage.
Pour les boulons à friction de type Split Set®, la rotative est remplacée par
un marteau, et pour les boulons à friction de type Swellex® par un emmanchement et un embout qui permet l’injection d’eau dans le boulon.
Selon les engins et selon les terrains, il est possible aujourd’hui et de manière
économique de réaliser des forages de diamètre 32 à 89 mm sur des longueurs
courantes de 4 m à 8 m avec éventuellement une opération d’allongement de
barres. C’est donc dans cette « gamme » de forages que le boulonnage doit
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Toutefois, la tendance actuelle est à la foration de volées longues, à trous de
mines parallèles, avec des jumbos 2 ou 3 bras. La cinématique des bras permettant la foration des volées devient alors incompatible avec la foration radiale
des trous de boulonnage. Des machines spécifiques sont donc disponibles,
soit avec foration mécanique et mise en place manuelle, soit en automatisant
complètement le processus de mise en place des boulons.
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préférentiellement être mis en place. Le choix du type de boulons à mettre en
place aide à la spécification du type de foration à envisager notamment au
niveau des diamètres.
Compte tenu de l’encombrement, notamment du marteau et des flexibles,
il est important de prendre en compte, lors de la conception, la longueur
des boulons qu’il est possible d’installer dans une galerie de gabarit donné.
La longueur de la glissière est égale à la longueur du boulons plus 1 à 2 m
selon les matériels retenus.
2.3 - Travaux spéciaux
Dans les terrains de "forabilité difficile", il faut soit envisager une foration avec
tubage à l’avancement, soit utiliser les boulons de la gamme des autoforeurs.
On peut également envisager d’utiliser un fluide de forage de type coulis pendant la foration.
Pour ces applications spéciales, les machines utilisées sont des machines
non-standard, équipées spécialement pour ces travaux.
3 - BoulonsCe chapitre est consacré à la caractérisation du boulon y compris ses
accessoires et particularités (filetage, nervures, tête, plaque d’appui).
Dans le cas de boulons en matériaux composites, les sections peuvent être
de tout type.
Pour chaque type de boulons, il convient de préciser :
• Les matériaux constitutifs de la tige et de ses accessoires
• Les caractéristiques mécaniques de la tige et de ses accessoires (voir §3.1)
• Les caractéristiques géométriques de la tige et de ses accessoires
3.2 - Pointe ou dispositif d’ancrage
Les principaux matériaux utilisés sont les alliages d’acier, ou bien encore
la fibre de verre, et exceptionnellement la fibre de carbone. Le choix des
matériaux utilisés doit être adapté aux performances recherchées (limite
élastique, allongement à la rupture, destructibilité…).
3.1 - La tige
Il s’agit de la partie centrale du boulon. Sa section est pleine ou creuse selon
les cas.
La tige peut être lisse dans le cas des boulons à friction et des boulons à
ancrage ponctuel ou nervurée dans le cas des boulons à scellement réparti.
Dans ce dernier cas, les nervures améliorent le malaxage de la résine de scellement et donc le scellement.
Il faut citer également le boulon dont les nervures constituent un filetage
continu et qui permet un ajustement de sa longueur sur chantier (boulon de
type GEWI®).
Dans le cas des boulons autoforeurs, la tige peut éventuellement être constituée de plusieurs éléments connectés par manchon fileté.
Les profils standards de filetage sont :
Type « corde » (le plus courant),
Type « té »
Le filetage de type « corde » assure une bonne étanchéité au niveau des
manchons. Le filetage de type « té » facilite le dévissage.
Des profils de filetage non standard sont également utilisés.
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Ce terme désigne l’extrémité de boulon au fond du trou de forage.
Sa fonction varie selon les types de boulons considérés :
• Coupe droite pour les boulons à scellement par injection.
• Coupe en pointe ou biseautée pour les boulons à scellement en cartouches :
elle permet de percer les cartouches de résine ou de mortier et favorise son
bon malaxage.
• Extrémité tronconique ou avec réduction de diamètre pour faciliter l’introduction des boulons à friction.
• Équipée d’un taillant, elle permet de forer le trou dans le cas des boulons
autoforeurs ; les taillants se déclinent en de nombreuses versions : ils peuvent
être traités ou garnis de plaquettes ou picots carbure, en croix, en arc...
• Équipée d’une coquille, elle constitue l'ancrage ponctuel du boulon : ces
ancrages sont constitués d’une noix centrale sur laquelle viennent glisser
de 2 à 6 coins selon la surface de contact recherchée en paroi du forage.
Ils sont réalisés en acier ou en alliage d’aluminium. Une traction exercée sur
la tige entraîne une expansion de la coquille. Le choix du type de coquille
doit être adapté aux conditions géologiques rencontrées et validé par des
essais (voir § 6).
3.3 - La tête
Ce terme désigne l’extrémité saillante du boulon qui permet de solidariser la
plaque de répartition au boulon.
Dans la majeure partie des boulons à ancrage ponctuel ou à scellement réparti,
elle présente un filetage de longueur 100 à 200 mm recevant un écrou de serrage
hexagonal. Ces filetages peuvent être taillés mais sont généralement roulés. Le
type d’exécution du filetage peut avoir une influence sur la capacité du boulon.
Des exécutions particulières peuvent présenter :
• Des têtes forgées en six pans pour permettre l’entraînement en rotation des
tiges HA scellées à la résine ou pour limiter la partie saillante des boulons
ponctuels. Dans ce cas, le serrage du boulon est obtenu par rotation de la
tige dans la tête d’ancrage.
• Des extrémités filetées complétées d’un dispositif d’entraînement en rotation
des tiges HA comme des méplats ou carré d’entraînement, des écrous entraîneurs résinés ou matricés, des écrous prisonniers ou goupillés.
Les boulons à friction présentent soit une bague soit un embout soudés, qui
viennent prendre appui sur la plaque d’ancrage mise en place avant le fonçage
du boulon.
3.4 - La plaque de répartition
Les plaques d’appui (Fig. 19) constituent un élément important du soutènement, et peuvent être utilisées seules ou associées à du grillage, des feuillards,
des blochets. Elles apportent un confinement du massif rocheux en tête du
boulon.
On peut également utiliser des tôles de blindage pour augmenter la surface
d’appui de ces plaques.
Les plaques se déclinent en 3 types principaux :
• Les plaques rigides dimensionnées de manière à constituer des appuis
statiques par rapport aux boulons auxquels elles sont associées.
• Les plaques déformables ou auto compensatrices permettant des déformations graduelles en fonction des charges exercées sur les boulons.
• Les plaques spéciales d’injection, de doublage pour le maintien de grillage,
de renforcement (de type « araignée »).
Pour les boulons à friction la plaque est immédiatement opérationnelle sans
serrage.
Pour les boulons à ancrage ponctuel ou réparti la plaque est serrée contre le
parement par l’intermédiaire de la tête avec serrage de l’écrou à la clef à choc
ou éventuellement à la clef dynamométrique. Le couple de serrage doit être
adapté au type de boulon et d’écrou.
La plaque bombée permet une certaine adaptation à la déformation.
Une plaque auxiliaire, clipsée ou vissée sur la tête filetée du boulon est, généralement utilisée pour la fixation du grillage ou du treillis d’armature, lorsque
ce type de dispositif est utilisé en complément du boulonnage.
L'utilisation de boulonneur et d’une tourelle de stockage contraint à l’utilisation
de plaques de dimension adaptée au matériel (≤ 15 x 15 cm), ce qui peut être
défavorable à la mobilisation du cône de terrain en tête de boulon et à la liaison
avec le parement.
Pour les boulons en fibre de verre, la plaque peut être tenue par un coin inséré
dans la tête du boulon écartant les lames ou les deux parties du boulon. Ce
procédé ne permet pas un serrage optimisé. Il existe aussi des boulons en
fibres de verre cylindriques et filetées en tête permettant la fixation d’une
plaque par un écrou. En général, la tête du boulon en fibre de verre constitue
une section de moindre résistance.
3.5 - Protection contre la corrosion
Plaques rigides
Injection
Plaques ajustables à rotule
Évent
Plaques de répartition
pour scellement Injecté
Lorsque la durée de fonctionnement du soutènement l'exige, une protection
contre la corrosion peut être prévue :
• Scellement continu au mortier au coulis ou à la résine
• Surépaisseur sacrificielle des pièces
• Galvanisation à chaud des pièces
• Protection époxy (peinture à chaud)
• "Coating" par bain bitumineux à froid
• Boulons gainés injectés (Fig. 27)
• Boulons inox
3.6 - Caractéristiques utiles au dimensionnement
Plaque Araignée
Fig. 19 - Exemples de plaques.
Les dimensions des plaques d’appui sont usuellement de 15 à 20 cm de côté
et 4 à 10 mm d’épaisseur, elles sont planes, bombées ou à rotule avec un trou
En accord avec les recommandations du Groupe de Travail GT30 de l'AFTES sur
la "conception et le dimensionnement du boulonnage radial", les principales
caractéristiques mécaniques utiles au dimensionnement du boulonnage, en
fonction du type de boulons et des références de fabriquant sont les suivantes :
• La résistance de la tige en traction à la limite élastique, en kN
• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) en traction à la
limite élastique, en kN
• La résistance de la tige à la traction de rupture, en kN
• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) à la traction
maximale avant rupture, en kN
M
Dans le cas des boulons acier à profils filetés ou autoforeurs, ou dans le cas
des boulons en fibres de verre à profils filetés, les têtes de boulons sont simplement équipées d’un écrou.
circulaire ou oblong afin de permettre une meilleure adaptation à l’angle effectif
du forage de la barre et de l’écrou.
21
• L’allongement relatif de la tige en traction à la limite élastique, en %
• L’allongement relatif de la tige à la traction de rupture, en %.
Ces caractéristiques, obtenues par des essais de traction en laboratoire sur
tout ou partie des éléments constituant le boulon tel qu’issu de la fabrication
doivent être garanties (« valeur minimum garantie ») et elles sont indépendantes des conditions de mise en œuvre (foration, scellement, …).
Les caractéristiques de la tige peuvent être théoriquement déduites des caractéristiques géométriques du boulon et des caractéristiques mécaniques du
matériau qui le compose, telles que :
• La section résistante de la tige, en mm²
• La contrainte en limite élastique à la traction du matériau, en MPa
• Le module de déformation élastique (module de Young) du matériau, en MPa
• La contrainte maximale en traction du matériau, en MPa
• La déformation à la contrainte maximale en traction, en %
M
Ces caractéristiques sont théoriquement accessibles quand il s’agit d’un
boulon HA B500B, (HA = Haute Adhérence, B = Barre, 500 = limite élastique
en MPa, B = classe de ductilité) mais elles devront être adaptées quand il s’agit
de boulons plus particuliers tels que les boulons à friction ou les boulons
mixtes. C’est pourquoi il conviendra toujours de privilégier la connaissance
des caractéristiques directement mesurables sur le boulon.
Le fonctionnement du boulonnage dans un massif rocheux implique également
la mobilisation des caractéristiques des boulons « au cisaillement », c'est-àdire sous une sollicitation de déplacement relatif, transversale à l’axe de la
tige. Il apparaît qu’il s’agit d’un fonctionnement complexe, impliquant les caractéristiques combinées de cisaillement et de traction du boulon lui-même, mais
également celles du rocher et du produit de scellement le cas échéant.
Aucun essai normalisé n’existe pour caractériser ce fonctionnement mais
diverses approches expérimentales ou théoriques ont été menées.
4 - Ancrages4.1 - Ancrage ponctuel ou ancrage mécanique
2 branches
3 branches
6 branches
L’ancrage du boulon est réalisé à l’aide d’une coquille qui comporte généralement de 2 à 6 coins, et d’une noix centrale. Une tige filetée est insérée dans
la noix (Fig. 20 et Fig. 21).
Les branches de la coquille sont écartées lors du serrage du boulon. Les coins
de la coquille sont plaqués contre les parois du trou et la tige est mise sous
tension (précontrainte).
La mise en place du boulon est réalisée en serrant à un couple recommandé
par le fabricant l’écrou de serrage qui est situé sur la plaque.
Le choix de l’ancrage dépend de la nature de la roche et doit être choisi en
fonction de résultats d’essais préalables.
L’ancrage dépend des paramètres suivants :
• La qualité de la roche au niveau du point d’ancrage (Rc min.) : en dessous
d’une Rc de 10 MPa, il est nécessaire d’utiliser des coquilles spéciales. Le
boulonnage à ancrage ponctuel n’est, dans ce cas, pas recommandé
• La surface de la coquille en contact avec le terrain : elle évolue de manière
inversement proportionnelle à la résistance du terrain
• Le matériau qui constitue la coquille
• Les diamètres respectifs de la
coquille et du trou de foration
• Le serrage initial de l’écrou
noix
Fig. 21 - Exemples d’ancrage mécanique.
L’ancrage ponctuel a pour principale qualité de produire un confinement immédiat après l’installation, et donc de procurer une mise en sécurité immédiate.
Sa mise en œuvre est simple et rapide.
Lors de la mise en œuvre, il convient de s’assurer du bon serrage du boulon
et faire en sorte que la plaque soit en contact intime avec le terrain. Le temps,
et/ou les vibrations dues aux tirs, peuvent produire un écaillage autour de la
plaque. L’efficacité du boulon devient nulle lorsque la plaque n’est plus en
contact avec le terrain.
Il convient de vérifier et/de resserrer la plaque, au moins une fois, lorsque c’est
possible.
4.2 - Scellement à la résine ou au coulis
coin
tige
Fig. 20 - Principe de fonctionnement
d’un ancrage mécanique.
22
La résine permet le scellement du boulon sur la totalité de sa longueur. Ce
La résine est généralement fournie sous forme de cartouches qui contiennent
un catalyseur et un durcisseur (Fig. 22).
Actuellement, compte tenu des matériels disponibles, et de la forte viscosité
des résines, la mise en œuvre mécanisée des boulons scellés est couramment
réalisée jusqu’à 5 m de longueur, la limite étant imposée par la résistance de
la résine lors du malaxage.
La durée de durcissement des résines, donc du scellement, est classiquement
de 5 à 15 min (en fonction du produit et de la température). Il confère une efficacité extrêmement rapide à ce type de boulon, ce qui est un élément de choix
important pour le type de boulonnage utilisé.
Catalyseur
Résine
Fig. 22 - Cartouche de résine.
Les paramètres importants pour la pose de boulon à la résine sont :
• Le diamètre du trou de boulonnage et sa bonne tenue sur toute la longueur
• L’espace annulaire entre les parois du trou et la tige retenue (Fig. 23)
Diamètre du trou
de forage D
Diamètre de la
tige D
Fig. 23 - Espace annulaire
entre le trou et la tige.
Espace
annulaire e
• Le nettoyage du trou, qui doit être débarrassé de tout résidu de forage
(cuttings)
• La profondeur du trou : une sur-profondeur du trou conduira à une consommation accrue de résine et à un mauvais mélange
• Les charges de résine doivent être introduites et poussées en fond de trou,
et la position des charges dans le trou doit être contrôlée. Un parachute permet de retenir les charges de résine dans le trou dans l’attente de l’introduction de la tige
• La mise en place du boulon doit suivre les recommandations du fournisseur.
Les différentes étapes de la procédure sont les suivantes (Fig. 24) :
- L’introduction de la tige, en faisant tourner la tige tout en la poussant
vers le fond de trou
- Le malaxage : maintien de la rotation de la tige une fois en fond de trou,
pour permettre un bon mélange résine/durcisseur
- Le serrage après prise de la résine
Avec un boulonneur automatisé l’introduction des cartouches dans le trou se
fait le plus souvent avec une « sarbacane » à air comprimé. Elle nécessite un
trou propre et libre de tout élément susceptible de blesser ou de faire obstacle
à la mise en place des cartouches. C’est souvent le point le plus délicat de la
chaîne de mise en œuvre.
Les paramètres suivants doivent être contrôlés :
• Le temps de malaxage qui dépend du type de résine : une durée insuffisante
ne permettra pas à la résine de durcir de manière convenable, mais un temps
de malaxage trop important nuira à la polymérisation de la résine et donc
au bon ancrage du boulon
• La vitesse de rotation doit être contrôlée et le temps de mélange adapté à
la vitesse envisagée
• La température de mise en œuvre influence le temps de prise de la résine
Le stockage des cartouches de résine doit être pris en compte dans l’installation et la gestion du chantier :
• La durée de vie en stockage est limitée : quelques mois au maximum à une
température moyenne de 20-25°C. Cette durée de stockage diminue en
s’écartant de cette température moyenne. Il est recommandé de prévoir une
rotation du stock.
• La température de stockage ne doit pas descendre en dessous de 0°C.
• Les cartouches doivent préférablement être stockées dans un endroit frais
et sec, à l’abri de la lumière directe du soleil.
• Dans les procédures de mise en œuvre, si la température du stockage diffère
trop de la température de mise en œuvre, il faut prévoir le temps pour que
la température de la résine atteigne la température de mise en œuvre.
• L'élimination des reliquats ou rebuts doit se faire dans des filières adaptées.
Les cartouches de résines sont livrées en cartons d’une vingtaine d’unité. Sur
les emballages, il est nécessaire d’avoir au moins les indications suivantes :
• Fournisseur/Origine
• Type de produit et contenance des cartouches individuelles
• Pictogrammes et phrases de sécurité le cas échéant
• Date de fabrication
• Date de péremption
• Numéro de lot
La résine peut être injectée sous
forme pompable pour certaines
applications.
Fig. 24 - Étapes de mise en place
d'un boulon à la résine.
M
type de scellement ne convient qu’aux rochers qui permettent un bon calibrage
du trou d’ancrage. Il existe des résines à temps de prise « rapide » et « lent ».
23
4.2.2 - Scellement au mortier ou au coulis
L’injection ultérieure à la pose des boulons est également envisageable.
Ce produit de scellement se présente sous la forme de mortier cartouché, ou
de mortier sec en sac ou de coulis pompable.
Les paramètres qui influent sur la mise en place des produits de scellement
sont :
• Le temps entre le gâchage et la mise en œuvre (max. 15 à 20 mn), qui dépend
de la température ambiante et de la température de l’eau de gâchage
• Le temps entre l’injection et la pose de la barre du boulon
• La température ambiante de mise en œuvre et la température du rocher.
Pour des températures trop basses (inférieures à 5°C) la mise en œuvre est
déconseillée
• Le dosage en eau
Le mortier (cartouche ou sac) utilisé est à base de ciment à haute résistance
et à prise rapide. Pour le coulis le sable utilisé doit être fin pour permettre la
pompabilité. Le retrait de celui-ci devra être limité, à défaut d’être expansif.
24
M
Le coulis à base de ciment, d’adjuvants et d’eau est généralement plus liquide et
d’une mise en œuvre plus compliquée que le mortier. Il peut être préparé sur place.
Paramètres à contrôler pour la spécification d’un coulis ou d’un mortier :
• Le temps de prise doit être adapté au travail demandé
• La thixotropie du produit doit permettre le pompage
• Le produit doit être à retrait limité, voire légèrement expansif
• La protection contre la corrosion des aciers ne doit pas être attaquée par le
produit
• Les résistances mécaniques à la compression et à la flexion
4.2.2.1 - Mortiers d’ancrage pompés
Les mortiers pompés sont des mélanges préparés spécifiquement pour le
chantier ou pré-mixés à sec, prêts à l’emploi, fournis par des formulateurs.
Les mortiers prêts à l’emploi sont adjuvantés et ont généralement des caractéristiques qui rendent la mise en œuvre plus aisée et améliorent la qualité de
l’ancrage : thixotropie, absence de retrait, pompabilité. Ils peuvent présenter
des durcissements rapides, permettant de mettre en tension les boulons après
4 ou 5 h selon les objectifs recherchés. À un jour, les résistances atteignent
15 à 35 MPa selon les produits.
4.2.2.2 - Composition des mortiers de chantier
Pour des mortiers basiques préparés sur le chantier, le dosage pondéral est
le suivant :
• 1 ciment
• 1 sable (0-3 mm ou moins)
• 0.3-0.35 eau/ciment (E/C)
Il est possible d’obtenir des mortiers présentant de fortes résistances aux
jeunes âges en utilisant des liants hydrauliques à prise rapide (type Vicalpes®),
ou du ciment prompt.
Exemple de composition d’un mortier avec une prise à 1 heure dite "rapide" :
• Sable 0-2mm :
55%
• Filler :
11%
• Vicalpes® R
17%
• CEM I 52.5 R
17%
• Eau
• Adjuvants
La résistance de ce mortier est de 6 MPa à 3h et de 18 MPa à 24h.
Procédure standard de mise en œuvre :
a) Préparation du mortier :
- Gâchage du mortier en suivant les recommandations du fabricant,
notamment en ce qui concerne la quantité d’eau
- Malaxage
b) Injection du mortier à l’aide d’une pompe, en remplissant le trou du fond
vers la tête :
- Un flexible d’injection est introduit en fond de trou
- Le mortier injecté par la pompe pousse le flexible qui se déplace vers
l’extérieur. Une certaine résistance doit être opposée à la remontée du
flexible pour s’assurer du remplissage des vides et des interstices
c) Introduction des tiges par simple poussée de la tige :
- L’introduction du boulon permet la diffusion d’une certaine quantité de
mortier dans les éventuels interstices du terrain
- En fin d’opération, le mortier doit normalement ressortir en tête du boulon par l’espace annulaire entre la tige et le trou
- Une cale en bois permet parfois de maintenir le boulon dans le trou pendant la prise du scellement (pour les boulons subverticaux)
d) Serrage des boulons, après la prise du mortier : le temps de prise du mortier
dépend des caractéristiques du produit choisi et de la température de mise
en œuvre
Type de mortier
Rapide
Temps de prise
(à 20°C)
Rc 2 h
Rc 1 j
Rc 28 j
28 - 30 min
5 -10 MPa
20 - 35 MPa
35 - 70 MPa
35 - 70 MPa
35 - 70 MPa
Standard
1-2h
25 - 40 MPa
Lent
4-8h
25 - 40 MPa
4.2.2.3
Mortiers d’ancrage en cartouches
Les cartouches contiennent un mortier sec prêt à l’emploi et sont conditionnées
dans un emballage perméable qui permet l’absorption de l’eau. Leur utilisation
est réservée aux travaux de boulonnage limité en quantité et pour des boulons
de faible longueur. Ces cartouches sont mises en place par bourrage (bourroir).
Les boulons sont ensuite introduits par simple poussée.
4.3 - Boulons à friction à expansion hydraulique
Ces boulons sont des tubes repliés sur eux même, qui sont introduits dans le
trou et gonflés à l’eau sous pression.
La pression de gonflement pour la mise en place est de l’ordre de 30MPa, il
convient de vérifier sa compatibilité avec la qualité de la roche. Dans tous les
© Atlas Copco
Procédure d’installation du boulon (Fig. 25) :
• Foration du trou
• Insertion du boulon dans le trou, connecté à la lance d’injection
• Gonflage, durée de 30 s à 1 min
• Fin de l’installation
Fig. 25 - Mise en place d'un boulon à friction à expansion hydraulique.
Mise en place
Boulon installé
- forces radiales
- forte pression
de plaque
Forage
- 35 à 38 mm (SS39)
- 41 à 46 mm (SS46)
Fig. 26 - Mise en place d'un boulon à friction enfoncé à force.
Paramètres qui influencent l’ancrage :
• Qualité de l’acier utilisé : il existe deux qualités principales de boulons de
type Swellex® (gamme standard et gamme au manganèse)
• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons avec un revêtement anticorrosion
• Qualité de la fabrication du tube et des soudures d’extrémité
• Pression d’injection d’eau
• Qualité de la roche dans le terrain : ce type de boulon est adapté aux terrains
dont la résistance est compatible avec la pression de gonflage. Dans les
autres terrains, on utilise des manchons pour éviter l’endommagement du
terrain, au voisinage de la tête de trou
• Diamètre de foration contrôlé pour chaque type de boulon et en fonction des
recommandations du fournisseur
4.4 - Boulons à friction enfoncés par percussion
(à force)
Ces boulons à friction sont constitués d’un tube en acier à haute limite
élastique, ouvert le long d’une génératrice sur toute la longueur du tube.
Caractéristiques du boulon à friction :
• Mise en place simple (par percussion au marteau)
• Système actif et dynamique de renforcement par friction. Le boulon contrôle
la dilatation des terrains de par ses fortes capacités à l'allongement et au
cisaillement sans rupture
• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons galvanisés
à chaud
• Couramment, sa longueur est limitée à 4 m environ
Paramètres pour assurer une bonne mise en place des boulons à friction :
• Le diamètre de foration doit être contrôlé et respecter les recommandations
du fournisseur
• Les caractéristiques du terrain : ce type de boulon montre son efficacité dans
les terrains fracturés où il permet de maintenir les blocs entre eux
• La qualité de l’eau dans le massif influence la durabilité du boulon
La mise en place du boulon est relativement simple, ce qui est son principal
avantage.
4.5 - Ancrage mixte
Il existe plusieurs combinaisons de boulons d’ancrage mixtes. Le but est généralement d’obtenir les avantages d’un ancrage immédiat garanti par une
coquille d’expansion, et la résistance à long terme d’un boulon à ancrage
réparti.
Il est le plus souvent une combinaison d’ancrage ponctuel et réparti, mais
d’autres combinaisons existent, telles que :
• Ancrage ponctuel + injection de résine ou de ciment entre trou et boulon
• Friction + injection de ciment dans le tube du boulon
4.5.1 - Ancrage ponctuel + Injection de ciment
Il est possible d’obtenir à la fois les avantages de l’ancrage mécanique et de
l’ancrage réparti en utilisant des boulons à ancrage mécanique et en injectant
a posteriori dans le trou de boulonnage une résine ou un coulis de ciment.
M
Les pompes de gonflage doivent être contrôlées et régulièrement révisées.
Procédure de mise en œuvre (Fig.26) :
• Insertion du boulon équipé de sa plaque dans le trou
• Le marteau est mis en place et le boulon est enfoncé à force dans le trou.
Il convient de maintenir la poussée jusqu’au contact de la plaque au
parement.
© Metal Service
cas, elle doit impérativement être définie et décrite dans les procédures de
boulonnage de chantier (essais préalables).
25
M
Il est possible de forer à l’eau, à l’air ou bien au coulis.
Bien que cela ne soit pas répandu, il est possible d’envisager
un scellement avec une résine pompable.
Certains types de boulons possèdent une tige creuse dans laquelle le produit
de scellement peut-être injecté (comme pour les autoforeurs) entre barre et
ancrage ponctuel et terrain. D’autres boulons (CT Bolts®) permettent d’injecter
le produit de scellement entre une gaine PVC et la tige du boulon jusqu'à la
tête de l’ancrage (Fig. 27).
Fig. 29 Installation
d'un boulon
autoforeur.
4.5.2 - Friction + injection ou remplissage de ciment
Le boulon à friction enfoncé à force (§ 4.4) peut être injecté avec un mortier
ou coulis après mise en œuvre.
Il existe également une variante de type de boulon à friction enfoncé par percussion pouvant recevoir des cartouches contenant un liant à base de ciment
légèrement expansif (Fig. 28). Lors de sa prise, le ciment produit une pression
sur le tube qui constitue le boulon, et renforce son matriçage dans le terrain,
augmentant ainsi l’effort nécessaire pour faire glisser l’ancrage (10 à 15 t/m).
Procédure d’installation (Fig.29) :
• Foration du trou avec la tige du boulon
• Addition éventuelle d’une longueur par utilisation d’un manchon
• Injection
• Mise en place de la plaque
4.6.2 - Boulons en fibres de verre
Des boulons autoforeurs en fibre de verre sont disponibles. Leurs principaux
avantages :
• Ils sont injectables
• Leur poids est faible
• Ils sont insensibles à la corrosion
• Ils sont facilement destructibles, et donc bien adaptés pour le soutènement
provisoire dans les zones dans lesquelles il faudra ensuite excaver.
Fig. 28 :- Exemple d'ancrage mixte (friction + injection
de ciment) type Split Set® injecté.
Ils sont mis en œuvre en mode de foration rotative.
4.6.3 - Boulons autoforeurs à friction
4.6 - Boulons autoforeurs
4.6.1 - Boulons en acier
Les boulons autoforeurs sont constitués de tiges creuses, équipées en extrémité (pied) d’un taillant perdu. Après foration avec retour du fluide de foration
par le vide annulaire, on injecte un coulis par la tige qui assure le scellement
du boulon.
Ces systèmes sont directement mis en lieu et place de la barre de foration et
du taillant. Ils sont conçus pour être mis en place avec un matériel de roto percussion courant.
L’ancrage étant du type réparti, les facteurs qui influencent la qualité de
l’ancrage seront les mêmes avec certaines difficultés supplémentaires : le
diamètre du taillant doit être suffisamment petit pour que l’espace annulaire
permette un bon scellement au mortier ou au coulis, néanmoins il doit être
suffisant pour s’assurer de la bonne évacuation des cuttings.
26
© Atlas Copco
Fig. 27 - Exemple de mise en place d'un boulon à ancrage mixte type CT Bolt®.
Ce type de boulon fonctionne comme un tubage à l’avancement, mais dans
ce cas le tubage est fendu, comme dans le cas du boulon à friction enfoncé
à force type Split Set®. Le marteau, utilisé pour la foration, force également
le tubage dans le trou qui procure un ancrage par friction immédiat dès son
installation (Fig. 30).
Power Set drill bit
AT - Pc
Power Set
drill
Power Set adapte
Fig. 30 - Procédure de mise
en place d'un boulon
autoforeur à friction (DSI®).
5 - Sécurité de la phase boulonnage-
5.1 - Textes de référence
Le "Guide des bonnes pratiques pour la Sécurité et la protection de la Santé
lors de travaux souterrains" édité par la CARSAT-RA est un document de référence sur lequel le maître d'ouvrage, le maître d'œuvre et l'entreprise s'appuieront pour rédiger les documents de conception et de chantier relatifs à la
sécurité (PGC, PPSPS, Procédures…).
Rappel de la logique à respecter pour la mise en œuvre des PGP (Principes
Généraux de Prévention) tels qu'ils sont définis par l'article L 4121-2 du Code
du Travail :
• éviter les risques professionnels et d'environnement
• évaluer au mieux les risques qui ne peuvent être évités
• privilégier la protection intrinsèque en recherchant des modes opératoires
adaptés aux lieux de travail, en utilisant des matériels adéquats et en veillant
toujours à respecter la règle suivante qui consiste à adapter le travail à
l'homme et non l'inverse
• toujours privilégier la protection collective et à défaut mettre en place des
protections individuelles adaptées
• assurer la formation du personnel vis-à-vis des risques qu'ils sont susceptibles de rencontrer
5.2 - Evaluation et analyse des risques
Le soutènement par boulonnage présente différents risques. Leurs sources
sont multiples depuis l'approvisionnement des matériels et matériaux jusqu'à
la mise en place du soutènement sans oublier la phase "contrôles". Elles résultent essentiellement de la mise en place des soutènements et de la surveillance
de leur comportement.
En effet, les risques liés au terrain sont à prendre en compte car l'excavation
non encore soutenue présente de graves dangers notamment la chute de blocs.
L'analyse de l'activité "boulonnage" démarre dès l'approvisionnement des
matériaux et des matériels, phase au cours de laquelle les ouvriers font des
tâches répétitives de manutention demandant parfois des efforts physiques
pouvant entraîner de mauvaises postures. L'implantation des zones de livraison
et de reprise des matériaux sera faite de manière à ce que les manœuvres et
circulations ne génèrent pas d'accidents de la circulation.
La phase foration peut être à l'origine de plusieurs risques dont certains sont
liés au matériel. Il peut s'agir :
• de coincement de main ou de doigt par exemple lors de la mise en place de
tige ou changement de taillants
• de chocs impulsifs liés aux vibrations produites par des marteaux perforateurs
Le manque d'éclairage tout comme le sur-éclairement des zones de travail
peut engendrer des situations à risques. Pendant la foration, le bruit et la
poussière émis par l'engin de foration insuffisamment équipé peuvent être
source d'inconfort et de maladies professionnelles pour les ouvriers.
La phase de mise en place du boulon présente des risques communs à tous
les types de boulons et d'autres spécifiques au type de boulons mis en œuvre.
La manutention du boulon et sa mise en place dans le trou de foration peuvent
entraîner des blessures aux mains et des chocs du fait de l'emploi de masses.
Pour les boulons de voûte, le travail à partir d'une nacelle peut être à l'origine
de chutes de pièces diverses sur les zones inférieures.
La mise en place des boulons à ancrage réparti scellés présente des risques
liés à l'emploi de pompe à injection. La préparation des produits de scellement
peut entraîner des risques de brûlures cutanées, d'inhalation voire d'ingestion
de poussières (fines). Ensuite, lors de l'injection, des ruptures de flexibles
peuvent se produire entraînant les mêmes risques que lors de la préparation.
Lors de la mise en place des boulons à ancrage ponctuels, les risques sont
essentiellement liés à la manutention des accessoires comme la mise en place
des coquilles d'ancrage et des plaques et écrous de serrage.
Pour les ancrages à friction, les risques dépendent du type du boulon. Les
boulons dont l'efficacité n'est effective qu'après leur gonflage à l'eau tout
comme les boulons entrés à force dans le terrain présentent les risques liés
aux matériels utilisés pour la mise en place : pompe d'injection d'eau pour les
premiers, engin de frappe pour les seconds.
5.3 - Mesures à prévoir
Les mesures à prévoir pour la surveillance du comportement des boulons, que
ce soit pendant la phase excavation ou au cours de la vie de l'ouvrage lorsque
le soutènement reste apparent, relèvent des contrôles.
Les acteurs de la construction (prescripteur - MOA, MOe, coordonnateur SPS,
et les entreprises) ainsi que les gestionnaires d'ouvrages se référeront au
paragraphe "6.4 de la présente recommandation - "Surveillance des boulons"
en cours de chantier.
Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au terrain sont :
• Surveillance du terrain : affectation d'une personne chargée de l'auscultation
des soutènements
• Purge systématique préalable en privilégiant la purge mécanisée
Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au matériel durant la foration sont :
• Mettre en place les formations à l'utilisation et à la maintenance des engins
de foration
M
Dès lors qu'un type de boulonnage est retenu, l'entreprise se doit de respecter
un certain nombre de dispositions pour que la mise en œuvre des éléments
de boulonnage se déroule avec le maximum de sécurité.
Le boulonnage doit être réalisé après la purge des parois et du front voire
après l’application d’une première couche de béton projeté de confinement.
27
• Sécuriser les nacelles conformément à la réglementation et à leur utilisation
spécifique
• Mécaniser au maximum les tâches (lorsque la section et le nombre de
boulons à mettre en œuvre le permettent) : livraison des boulons, changement de tige et barres de forage
• Prévoir, si la foration est effectuée manuellement, des supports permettant
de reposer le matériel (poussoir) et aménager l'espace de travail au pied de
la paroi à boulonner pour éviter toute chute de personne
• Eviter les circulations de personnel à proximité : pour se prémunir du risque
de heurt et de happage du personnel situé au voisinage de la machine de
foration lors d’un mouvement brusque de la glissière, il est nécessaire de
définir un périmètre de sécurité autour des machines ainsi que certaines
règles de bonne entente afin d’attirer l’attention du chauffeur lorsque
quelqu’un doit passer dans son rayon d’action
M
• Éviter de générer de la poussière et toute projection de matériaux : privilégier
le forage à l’eau ou au mélange air/eau. Dans les terrains pulvérulents ou
dont la nature présente des risques pour la santé, mettre en œuvre un
dispositif de captage des poussières et de ventilation de la zone de travail.
• Relativement au bruit : privilégier les matériels électrohydrauliques et insonorisés, sans préjudice du port des EPI.
Les mesures à prévoir vis-à-vis des risqués liés à la mise en place du boulon
sont :
• Privilégier l'emploi de robot de boulonnage
• Si le boulonnage est réalisé manuellement, mettre en place les formations
adaptées aux types de boulons
• Porter des EPI (Equipements de Protection Individuels) adaptés
6 - Contrôle du boulonnage6.1 - Principes de contrôle
Pour s’assurer de la qualité et de l’efficacité du boulonnage, plusieurs types
de contrôles et d'essais peuvent être effectués à différents stades.
On distingue :
• des essais préalables réalisés au stade du projet pour valider le système de
boulonnage envisagé, notamment son dimensionnement par rapport à la
qualité des terrains à boulonner (des essais qui peuvent aller jusqu’à l’arrachement du boulon d'essai)
• des épreuves de convenance, avant travaux, pour vérifier l’adéquation du
système de boulonnage choisi avec le matériel de mise en place et les conditions in situ, notamment de terrain
• à leur arrivée sur le chantier, le contrôle systématique des différents constituants (boulons et scellements) ainsi que celui des matériels de mise en
œuvre
• des essais de contrôle réalisés en cours d’exécution sur les ancrages appartenant au dispositif de soutènement, pour en vérifier l’efficacité
Il est possible également d’ausculter des boulons dans le temps, en plaçant à
poste fixe des cellules dynamométriques à la tête de l’ancrage entre plaque et
écrou, et de relever périodiquement la déformation à l’aide d’un comparateur.
• à la réception et à la mise en place : diamètre, longueur, filetage, tête et
pointe, absence de rouille, de graisse… :
- pour les tiges en HA dont les diamètres sont prévus par les normes
AFNOR (14 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40) et donc faisant l'objet du certificat
d'homologation, il est absolument indispensable que la fourniture soit
accompagnée de la fiche descriptive en cours de validité relative NF
AFCAB de l'acier fourni
- pour les tiges en HA dont les diamètres ne sont pas prévus par les
normes AFNOR (18 - 22 - 26 - 28 - 30 - 34, etc.), il est indispensable
que la fourniture soit accompagnée du certificat de l'aciérie productrice ; ce document indiquera les données qui identifient le produit
(numéro de la coulée, analyse chimique, etc.) et aussi les valeurs
limites d'élasticité (Re, act), les valeurs de résistance à la traction
(Rm) et leurs "Rapport" relatifs, et enfin l'allongement total (Agt
exprimé en pourcentage) ; le tout selon les normes NF A 85-080-1
(2010-10)
- pour les boulons à friction, il convient de contrôler le marquage spécifique
à chaque boulon permettant sa traçabilité, selon la norme concernée
- Toutes ces valeurs déterminent les caractéristiques mécaniques de
l'acier
• la qualité de l’eau et du sable utilisés pour les mortiers
• les conditions de stockage des différents constituants
Ces contrôles et essais sont développés dans les paragraphes qui suivent.
6.2 - Contrôle des constituants
La qualité des différents constituants du boulonnage (boulons, coquilles d’expansion, taillants de l’autoforeur, et autres accessoires) et du matériel de mise
en œuvre sera contrôlée :
• par la vérification, dans la procédure d’agrément, des essais réalisés en
laboratoire par le fournisseur (limite élastique, limite de rupture, allongement
à la rupture, notamment des tiges…). Sur le chantier, il convient de vérifier
à la livraison les PV de contrôle du fournisseur
28
En ce qui concerne les produits de scellement (résine, coulis, mortier), on
vérifiera :
• pour les résines : l’état des cartouches à la réception, la limite de péremption
(généralement de quelques mois), les conditions de stockage, les vitesses
de polymérisation
• pour les coulis et les mortiers : les résistances à la compression à 7 j et
à 28 j, la viscosité, les temps de prise : 6 éprouvettes en sortie de lance
d’injection à chaque poste
• pour les mortiers en cartouche : l’état des cartouches à la réception, les
conditions de stockage
Il convient de se prémunir des risques de contrefaçons :
• Traçabilité
• Marquage
• Système de normalisation
• Certificat de conformité
6.3 - Modes opératoires des essais de traction et
d'arrachement sur boulons
Concernant les essais de contrôle des boulons scellés au mortier :
Le résultat de l'essai sera non seulement fonction de la prise du coulis de
scellement mais aussi de la convergence et du "serrage" du boulon suivant
l'augmentation de la contrainte orthoradiale.
L'essai doit donc être fait lorsque la vitesse de convergence est faible :
• sous faible couverture : 3 mm/jour
• sous forte contrainte: 1-2 cm/jour
6.3.1 - Principes généraux des essais sur boulons
Les essais de traction et d’arrachement sur boulons sont réalisés généralement
à l’aide d’un vérin creux qui permet de tirer sur la tête du boulon en s’appuyant
sur la paroi rocheuse aux alentours de la plaque d’appui de l’ancrage (Fig. 31).
Dans certains cas cependant, le Maître d’Œuvre peut demander des essais
destructifs afin d’évaluer la résistance Tu (en kN) de l’ancrage dans le terrain,
qui est fonction généralement de la longueur d’ancrage (ou qs exprimé en kPa
qui est le frottement latéral limite conventionnel).
Le nombre d’essais à réaliser par type d’ancrage et par type de conditions
géologiques est à fixer dans les prescriptions du marché. La résistance
moyenne est souvent définie à partir d’un minimum de 5 essais par type
d’ancrage et par type de conditions géologiques car une assez grande dispersion est habituellement observée.
Les essais préalables et les essais de convenance donnent lieu à un rapport
d’essai.
Les essais de contrôle sont à réaliser sur des ancrages appartenant au
dispositif de soutènement de l’ouvrage. On vérifie que l’ancrage résiste à une
traction d’essai Te définie à la conception qui est fonction de la traction limite
de service Ts du boulon (généralement Te = Ts ou plutôt 1,2 x Ts).
Pour un ancrage dont l’efficacité doit être immédiate, le contrôle doit se faire
rapidement après sa mise en place.
Pour les boulons scellés au mortier ou à la résine, le contrôle doit se faire dès
lors que la prise du scellement le permet (7 ou 28 jours pour le mortier, 8 ou
24 heures pour la résine selon les indications du fournisseur et selon les
prescriptions du marché).
Fig. 31 - Dispositif d’essai de traction.
Pour les boulons à ancrage mécanique, les essais peuvent être réalisés à l’aide
de la clef dynamométrique qui sert à les mettre en tension.
Des contrôles différés peuvent également être prévus pour vérifier la pérennité
d’un ancrage (voir § 6.4).
6.3.2 - Normes et recommandations
Le déplacement de la tête du boulon est mesuré à l’aide d’un comparateur,
ce qui permet de tracer la courbe effort–déplacement caractérisant le
comportement du boulon et de son ancrage.
La mise en tension se fait par paliers. A chaque palier, on mesure l’évolution
du déplacement ou la perte de tension, s’il y en a, qui définit une limite de
fluage (ou de ripage) de l’ancrage. On peut ainsi définir une résistance de pic
et, dans certains cas, une résistance résiduelle.
Les essais préalables et les essais de convenance sont à réaliser sur des
ancrages spécifiques n’appartenant pas au dispositif de soutènement de l’ouvrage ou ne participant pas à la stabilité de l’ouvrage en service.
Pour les soutènements à l’air libre, les essais préalables et les essais de conve-
Pour les ancrages scellés au rocher (mortier ou résine), la procédure d’essai
en arrachement comme en contrôle est décrite par la norme XP P 94-444
(décembre 2002) – Essai statique d’arrachement, sous un effort axial de traction, d’un ancrage scellé dans un massif rocheux – Essais par paliers :
• Les boulons sont mis en traction par incréments de charge et/ou de déplacement et les mesures sont faites à chaque incrément, lorsque charge et
déplacement sont stabilisés (en notant le temps de stabilisation). Les paliers
sont fixés à 5 minutes.
• Le programme d’essai à la rupture comporte 2 cycles de chargement/déchargement par paliers, le 1er cycle jusqu’à la tension limite estimée de l’ancrage
et le 2 ème cycle jusqu’à 2 fois cette tension. L’essai donne l’effort de traction
limite Tu associé à la longueur L de l’armature scellée dans le matériau
rocheux.
M
Par ailleurs, il convient de s'assurer que le contrôle qualité concerne toute les
étapes de la fabrication du boulon et que les boulons d'essais sont les mêmes
que ceux mis en œuvre.
nance sont généralement destructifs afin de mesurer la résistance du
scellement nécessaire au dimensionnement du soutènement. En revanche, en
souterrain, les essais préalables et de convenance ne le sont pas nécessairement. Ils sont alors réalisés de la même manière que les essais de contrôle,
dans les mêmes conditions de boulons et de terrain que celles de l’ouvrage
pour lequel ils sont prévus (voir ci-après).
29
• L’essai de contrôle (Fig. 32), lui, est réalisé en un seul cycle de chargement
en cinq paliers de 5 minutes jusqu’à atteindre Te puis en effectuant un
déchargement en trois paliers de 1 minute. Il peut également être demandé
de maintenir le dernier palier Te plus longtemps (20 ou 30 minutes) avant
de procéder au déchargement contrôlé. L’essai est dit concluant si la résistance moyenne des essais est supérieure soit à Ts, soit à 1,1 fois Ts (selon
les prescriptions du marché).
T
Te
t
P
Force de traction
Force de traction imposée par le contrôle
Temps, en minutes
Phase préparatoire de l’essai
Fig. 32 - Essai de contrôle. Programme de chargement – déchargement
(selon XP P 94-444).
La recommandation de l’ISRM et la norme ASTM suivent des méthodologies
similaires. Elles y sont décrites jusqu’à l’arrachement de l’ancrage. Leurs références sont les suivantes :
• ISRM – Suggested Method for Rockbolt Testing (1975),
• ASTM D 4435-84 (reapproved 1998) – Standard Test Method for Rock Anchor
Pull Test.
Dans le cas des essais à la rupture, des dispositions doivent être prises
pour :
a) éviter la cassure de l’armature sous l’effet de traction maximale :
- par le choix d’une section suffisante
- et/ou en limitant la longueur de scellement ; cette dernière doit cependant être suffisante pour englober les hétérogénéités du terrain
b) limiter les effets de bord :
- soit par la réalisation d’une longueur libre minimale lors du scellement
du clou (de l’ordre de 1 m dans le sol, 0,5 m au rocher)
Un contrôle de la longueur non scellée des ancrages est réalisé en introduisant
une tige dans l’espace annulaire libre de tout scellement.
- soit en disposant d’un bâti d’essai prenant appui au terrain autour de la
tête du clou, mais dont tous les points de la surface d’appui se trouvent
néanmoins à plus de 0,3 m des bords du trou
c) pour les boulons scellés au rocher (au mortier ou à la résine), l’essai intervient après un délai minimum de prise du scellement (7 à 28 jours pour du
mortier, ou 8 à 24 heures pour de la résine selon les indications du fournisseur et selon les exigences du marché)
Les essais d’arrachement sur les boulons à friction se réalisent de la même
manière. Ils se font immédiatement après leur mise en place (se reporter aux
30
M
indications du fournisseur). Des essais à plusieurs longueurs de boulon (3 minimum) permettent une évaluation plus fiable de la valeur du frottement limite
qs. La valeur de qs peut croître sous l’effet des mouvements de terrain autour
de l’excavation.
En dehors des boulons en tunnel, objets de la présente recommandation, il
existe d’autres procédures d’essai concernant les micropieux et les clous ou
ancrages au sol meuble, où la notion de fluage est ajoutée à la notion de traction de rupture, ainsi que les tirants d’ancrage. Ces essais visent généralement
à déterminer une valeur de frottement latéral limite qs nécessaire au dimensionnement des ouvrages concernés (stabilité des talus cloutés, fondations…
) mais peuvent aussi concerner les ouvrages souterrains :
• Ouvrages de grandes dimensions
• Travaux nécessitant un contrôle strict des déformations
• Proximité d’ouvrages existants
• Roche argileuse
•…
Ces procédures sont citées ici pour mémoire :
• Recommandations CLOUTERRE 1991
• Essais de traction à déplacement contrôlé (vitesse constante)
• Essais de traction à effort contrôlé (paliers de fluage)
• Norme NF P 94-242-1 (1993) – Essai statique d’arrachement de clou soumis
à un effort axial de traction – Essai à vitesse de déplacement constante
• ISRM - Suggested Method for Rock Anchorage Testing (1985)
• Norme NF P 94-153 (1993) – Essai statique de tirant d’ancrage
• Chapitre 6 des recommandations TA 95
• NF EN 1537 – Exécution des tirants d’ancrage : plusieurs méthodes d’essais
proposées au § 9 et en annexe E
6.4 -Surveillance des boulons en cours de chantier
En phase d’excavation, à une distance en arrière du front qui est fonction des
vibrations engendrées par les tirs d’explosif, ou sous l’effet d’un glissement
de l’ancrage, il convient de vérifier le serrage des écrous et de procéder, si
nécessaire, à un resserrage systématique de l’ensemble des boulons à ancrage
ponctuel. Ce type de contrôle est également souhaitable avant la mise en place
des dernières passes de béton projeté ou avant la mise en place de l’étanchéité
ou du revêtement selon le cas.
Les boulons dont la tête casse sont à changer ou à remplacer par un autre
moyen de soutènement.
Pour mémoire, il est possible de suivre l’évolution dans le temps de la tension
d’un boulon en interposant entre la tête du boulon et le rocher, soit une cale
dynamométrique, soit une cellule de chargement.
Un contrôle global du système de soutènement que constitue le boulonnage
associé ou non à du béton projeté est réalisé notamment par les mesures de
convergence dans le cadre de la méthode de "conception interactive" anciennement dénommée "méthode observationnelle". En cas de détection d’un
comportement jugé anormal, il peut s’avérer nécessaire de procéder à un ren-
forcement du système de boulonnage (augmentation de la densité, du diamètre
et/ou de la longueur des boulons, réduction du délai de mise en œuvre par rapport
à l’avancement du front, choix d’un autre type de boulon…), ou à une modification complète du système de soutènement (cintres lourds par exemple).
Dans les ouvrages où le soutènement reste apparent, il est indispensable pour
Les circulations d’eau, surtout si elles sont particulièrement agressives, peuvent entrainer la rouille de l’acier qui diminue l’efficacité du boulon et de son
ancrage. Il est d’ailleurs recommandé d’avoir recours dans ce cas à des produits protégés contre la corrosion, ou à mettre des boulons à ancrage réparti,
ou encore à sceller sur toute leur longueur les boulons à ancrage ponctuel
après leur mise en tension, à protéger la plaque et l’écrou. Néanmoins ces
précautions ne dispensent pas des contrôles périodiques.
7 - Matrice d’interprétation-
Scellement
mortier
Scellement
résine
Boulons
mixte
(ancrage
ponctuel +
scellement)
Boulons à ancrage réparti
BOULONS
Boulons à
ancrage
ponctuel
DONNÉES
Boulons
hybride
Boulons Type
(ancrage à
"Cone
friction +
Bolt®" *
scellement)
Boulons
autoforeurs
Boulons à Friction
Type
"Minova
SDA®"
"Alwag"
type AT
Power®
Type
Type
"Swellex®" "Split Set®"
Boulons
Fibre
de Verre
Boulons
Carbone
Traction
+++
++++
++++
++++
+++
++
+++
++
+++
+++
++
++
Cisaillement
+
++++
+++
+++
++
++++
+++
++
++
+++
++
++
Terrain fracturé
++
++
+
++
+++
+++
++++
+++
++
++
++
++
Forabilité terrain
médiocre
o
+
+
o
o
+
++++
++++
+
o
+
+
Caractère
permanent
+
++++
+++
++++
+++
++++
+++
o
++
++
+
++
Action immédiate
++++
o
+++
++++
++++
+++
++
++++
++++
++++
+++
+++
Action différée
++
+++
++++
+++
+++
++++
++
+++
+++
+++
+++
Gêne due à
la présence d'eau
++++
+
+++ R
++
++
++
+
++++
++++
+++
++ R
++ R
Drainage d'eau
++++
++
+
++
+
++
++
+++
++
++++
++
++
Etanchéité à l'eau
o
++
+++ R
++
++
++
++
o
+
+
++
++
Temps de mise
en œuvre
++++
++
+++
+++
++
+++
+++
++++
++++
+++
+++
* Boulon "coulissant" qui, aprés un glissement, conserve une efficacité
Ce tableau est donné pour aider au choix en matière de boulonnage, il n'intègre pas le coût des fournitures et accessoires
Légende
++++
Recommandé
+++
Bon
++
Moyen
+
Passable
o
Non recommandé
A vérifier
Traction : Aptitude à retenir ou porter : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon
Cisaillement : Résistance aux mouvements latéraux : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon
Terrain fracturé : Terrain avec un RQD faible : risques de coincement
Action : Action immédiate ou différée
Eau : Débit du forage
Etanchéité ou drainage recherché
R : Résine aqua-réactive t
M
Si, à la mise en tension d’un boulon à ancrage ponctuel ou après un certain
temps, il se produit un écaillage ou un délitage de la roche et que le contact
de la plaque d’ancrage n’est plus assuré avec le terrain, le boulon devenu inefficace doit alors être remplacé.
assurer la pérennité du soutènement que l’entreprise jusqu'à la réception de
l'ouvrage, ou le Maître d’ouvrage au cours de la vie de l’ouvrage, procède à des
actions de surveillance périodiques et réalise ensuite les actions adéquates.
31
1 - Introduction : définition et typologie du boulonnage-
Ce type de boulon peut de plus être mis en œuvre en cas de venues d’eau dans
le forage.
Les caractéristiques standard sont des diamètres de 16 à 20 mm pour des
longueurs comprises entre 1,50 et 3,00 m.
Cette recommandation traite (Fig. 1) :
• du boulonnage radial, voûte, piédroits, radier
• du boulonnage de front (longitudinal)
• du boulonnage par enfilages longitudinaux obliques
Vissage sur la plaque
Le boulonnage peut être complété par d’autres moyens de soutènement :
cintres, béton projeté, treillis…
noix
coins
Vissage dans la noix
Boulonnage radial
Boulonnage longitudinal
du front
Boulonnage longitudinal,
enfilage
Fig. 1 - Schéma des différents types de boulonnage utilisés.
Elle se limite aux travaux utilisant des matériels courants. Les technologies
spécifiques faisant appel à des matériels particuliers comme les boulons de
très grande longueur (au-delà de 15m, câbles ou tirants) ne sont pas traitées.
La longueur des boulons radiaux est en générale comprise entre 1/3 et 1/2 de
la plus grande ouverture transversale de l’excavation. De ce fait, pour des
ouvrages classiques, leur longueur n’excède pas 6 m. Pour le boulonnage
longitudinal, la longueur des boulons se situe classiquement entre 8 et 15 m.
Fig. 2 - Schéma du boulon à ancrage ponctuel.
1.2 - Boulons à ancrage réparti
Le boulonnage à ancrage réparti consiste à sceller des barres métalliques (ou
autres) sur toute leur longueur dans le trou d’ancrage. Le produit de scellement
est généralement de la résine, du mortier de ciment ou du coulis (Fig. 3).
D’une manière générale cinq grands types de boulons sont à distinguer :
1.1 - Boulons à ancrage ponctuel
Le scellement réparti sur toute la longueur du trou d’ancrage garantit une bonne
pérennité du boulon.
Le boulonnage à ancrage ponctuel consiste à relier le plan de la surface excavée
à un point profond de roche intacte. L’ancrage est généralement assuré par un
dispositif mécanique (Fig. 2) mais peut occasionnellement être associé à un
scellement de la barre en fond de trou par résine.
barre
Classiquement, l’ancrage en fond de trou s’obtient par un blocage d'une coquille
d'expansion sur la paroi du trou suite à l’enfoncement d’un coin par traction
mécanique obtenue par vissage. La mise en tension du boulon par précontrainte
– induite par serrage de l’écrou de tête ou par expansion ou décompression
des terrains – est indispensable pour obtenir une efficacité optimale de ce système de soutènement.
écrou
Plaque d’appui simple
Fig. 3 - Schéma du boulon à ancrage réparti.
L’avantage majeur du boulonnage à ancrage ponctuel est sa mise en œuvre
rapide ainsi que son efficacité immédiate. Cette efficacité ne se maintient cependant dans le temps que si la roche ne flue pas au voisinage de l’ancrage.
La résine est généralement introduite sous forme de cartouches dans le trou
d’ancrage.
M
Le boulonnage, dont la technologie est l’objet de cette recommandation,
constitue l’un des éléments les plus fondamentaux intervenant dans les techniques de soutènement des tunnels principalement réalisés par méthode
conventionnelle.
15
Ce type de scellement est habituellement utilisé pour des boulons jusqu’à 4 m
de longueur, son efficacité est de l’ordre de 5 à 15 minutes.
1.2.2 - Scellement au mortier
1.3 - Boulons mixtes
Dispositif
d’ancrage mécanique
Ce scellement consiste à enfoncer le boulon dans le trou d’ancrage préalablement rempli d’un mortier thixotropique permettant la tenue de ce mortier même
dans les trous verticaux forés en voûte ainsi qu’un très bon remplissage du trou
de forage.
M
inférieure à 5m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du
mortier.
Tige d’acier
Forage de boulonnage
rempli de coulis ou
de mortier
1.2.3 - Scellement au coulis
Ce scellement consiste à injecter au coulis le boulon après sa mise en place
dans le trou de forage par l'intermédiaire d'un tube ou flexible attaché à la tige.
supérieure à 5 m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du
coulis.
Flexibles d’injection
et d’évent
Fig. 5 - Schéma de principe
du boulon mixte.
Certains boulons à friction peuvent être équipés d’un taillant perdu utilisé pour
la foration (autoforeurs) et deviennent mixtes par injection (Fig. 6).
1.2.4 - Cas particulier des boulons autoforeurs (Fig. 4)
Ce type de boulons consiste en une tige métallique creuse munie en son extrémité d’un taillant perdu utilisé pour la foration du trou d’ancrage. Le scellement
est effectué en injectant le produit de scellement par l’intérieur du boulon.
Le boulon autoforeur convient particulièrement aux terrains fracturés et pour
des grandes longueurs d’ancrage.
Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du produit de scellement
(coulis de ciment, mortier ou résine).
Ce type de boulon est également utilisé pour les enfilages.
Tige fabriquée en tubes de haute
qualité avec un pas de vis roulé
à froid (pas standard à corde
ou trapézoïdal)
Plaque bombée
en acier plat
formé à froid
écrou
Plaque
plane
Tube de protection
si nécessaire
Coulis
Divers types de taillants
permettent une foration
rapide dans les terrains et
roches de nature diverse
1. Boulon à friction
2. Plaque d’ancrage
3. Taillant
1.4 - Boulons à friction
Les boulons à friction sont des profilés métalliques creux et minces mis en
contact intime avec la roche, sur toute leur longueur, de façon à permettre une
tenue par friction. Leur efficacité est immédiate.
Cette friction entre le terrain et le boulon peut être assurée de deux façons
différentes :
• Soit par expansion hydraulique du profilé dans le trou de forage, par injection
d’eau sous pression à l’intérieur du dit profilé tube fermé (Fig. 7).
Manchon avec arrêt central permettant
un contact direct entre les tiges limitant
ainsi les pertes d’énergie
durant la foration
Fig. 4 - Schéma d’un boulon autoforeur type MINOVA SDA®.
4. Tige de foration
5. Anneau de frappe
6. Manchon
Fig. 6 - Schéma du boulon à friction autoforeur.
tube à expansion en acier
Plaque d’appui
16
Le boulon mixte (Fig. 5) est un
boulon à ancrage ponctuel,
scellé dans un deuxième
temps par injection d'un produit de scellement.
Ces boulons présentent
l’avantage d’apporter une
efficacité immédiate grâce à
l’ancrage ponctuel, et de
pouvoir ensuite être injecté,
améliorant la pérennité et
renforçant ses performances.
Fig. 7 - Schéma du boulon type Swellex®.
D’autres systèmes destinés à absorber des déformations brutales de la roche
ont été développés, utilisant par exemple le déploiement d'éléments coudés
constituant quelques segments de la tige « D-Bolt® » (Fig.11).
Fig. 8 - Schéma du boulon type Split Set®.
Le boulon à friction travaille par frottement sur les parois du trou. Dans le cas
du Split Set®, la possibilité d’une injection et du scellement du profil augmente
la capacité de l'ancrage.
Fig. 11 - Shema du boulon type D-Bolt®.
1.5 - Boulons coulissants et autres
Il existe des boulons coulissants, adaptés aux conditions de « rupture brutale »
de la roche (« rock burst »).
Il peut s’agir de boulons de type
mixte comme le « Cone Bolt® » :
les efforts produits par la déformation brutale de la roche sont
transférés à la tige via la plaque
d’ancrage. Pour que ces efforts
atteignent la limite de fonctionnement en ancrage réparti, un
revêtement spécial de la tige
Fig. 9 - Schéma du boulon mixte
type Cone Bolt®.
favorise le glissement.
1.6 - Boulonnage de front
Le glissement de la tige dans le scellement entraîne le poinçonnement
du coulis par l'ancrage et permet un déplacement du boulon qui garde son
efficacité (Fig.10).
1.7 - Boulonnage de radier
Avant
rupture brutale
Cette technique est utilisée pour prévenir une déformation du front de taille,
les boulons sont mis en œuvre perpendiculairement au front.
La reprise du creusement dans le front boulonné nécessite l’utilisation de boulons facilement destructibles, habituellement en fibre de verre et scellés au
coulis de ciment sur toute leur longueur.
Pour des considérations géotechniques et de chantier, il s’agit surtout de boulons de grande longueur : 1,5 à 2 fois le diamètre de l’excavation. A l'avancement, les boulons sont mis en œuvre de façon à maintenir un recouvrement
d’environ 1/3 de leur longueur.
Dans certains cas, les radiers peuvent recevoir un confortement par boulonnage de type radial soit par des boulons métalliques, soit par des boulons en
fibre de verre pour des excavations réalisées en plusieurs phases dans des
terrains gonflants.
Après
rupture brutale
Fig. 10 - Schéma de fonctionnement du "cone bolt®".
(d’après McKenzie, R, Use of Cone Bolts in Ground Prone to Rockburst, Coal Operators' Conference,
University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 2002)
2 - ForationSelon les préconisations des fabricants, les diamètres de foration recommandés sont les suivants :
Type de scellement
Friction
Ponctuel
Split Set®
Swellex®
Résine
Mortier
Diamètre nominal (mm)
31 à 80
28 à 37
28 à 37
20 à 32
20 à 32
Diamètre foration (mm)
32 à 89
33 à 46
32 à 45
28 à 41
38 à 64
M
• Soit par poussage en force d’un tube fendu dans le trou de forage, le diamètre
initial du profilé fendu étant supérieur à celui du trou (Fig. 8).
17
Pour les boulons scellés aux mortiers le diamètre de foration dépend de la
qualité du terrain et de la longueur du scellement et il varie de 1,5 à 2 fois le
diamètre de la tige
Pour les boulons scellés à la résine, il convient d'être attentif aux performances
des forations pour le respect de l’enrobage optimum des tiges des boulons.
M
2.1.3 - Autres modes de foration
2.1.3.1 - Foration par rotary - rotative par broyage (Fig. 14)
Ce mode de foration au tricône est réservé aux forages de grand diamètre
généralement non utilisés pour le boulonnage.
Fig. 14 - Foration
par rotary.
Dans des terrains de "forabilité normale", c’est-à-dire qui se forent sans
coincements excessifs, ni pertes de fluides et dans lesquels les trous peuvent
rester ouverts le temps nécessaire à la mise en œuvre du boulon sans
détériorations, les principaux modes de foration sont (Fig. 15 et Fig. 16) :
2.1.1 - Foration rotopercutante (rupture par rotation)
La foration rotopercutante (Fig. 12) est généralement conduite à l’aide de
jumbos équipés de marteaux hydrauliques. L’outil est une barre à l’extrémité
de laquelle est vissé un taillant.
Une méthode manuelle avec marteaux pneumatiques permet de forer des
trous de petit diamètre et de longueur limitée.
2.1.3.2 - Foration au marteau fond de trou
Ce mode de foration, peu utilisé pour le boulonnage, est réservé aux diamètres
importants de trous. Ce type de marteau transmet l'énergie de percussion
directement au taillant sans l'intermédiaire des tiges. Ces marteaux sont à air
comprimé et ont un diamètre courant variant de 80 à 500 mm.
Surface libre
Zone broyée
Zone fracturée
Rocher
Classes AFTES de Résistance
en Compression Uniaxiale RC
Direction du mouvement
Force d’impact
Marteau hors
du trou
Marteau fond
de trou
Rotary
Fig. 12 - Foration rotopercutante.
Rotation
2.1.2 - Foration rotative (avec écaillage)
Domaine
du boulonnage
Cette méthode réservée à certains terrains est très productive et permet des
diamètres de foration relativement petits.
Taillant
de foration
Direction
du mouvement
Découpe d’une tranche
par cisaillement
Diamètre de foration en mm
Fig. 15 - Abaque Eimco-Secoma n°1
Zone de foration
PERCUTANTE
Zone de
foration
rotative
FORTE
POUSSÉE
MOYENNE / FORTE POUSSÉE
Les perforatrices pour foration rotative (Fig. 13) sont dépourvues de frappe.
Le taillant est généralement bilèvres à pastilles de carbure de tungstène, ou
de diamant polycrystallin.
Classes AFTES d’abrasivité - AIN
2.1 - Techniques de foration
MOYENNE POUSSÉE
Rocher
Classes AFTES de dureté - DU
Fig. 13 - Foration rotative.
18
Fig. 16 - Abaque Eimco-Secoma°2.
2.1.4 - Récapitulatif : données indicatives utiles
au boulonnage
Mode de foration
Diamètre
mini usuel
Diamètre
maxi usuel
Commentaires
(taillants)
32 mm
89 mm
Ø max = 127 mm
28 mm
34 mm
Ø min = 24 mm
Longueur limitée 3 m
55 mm
Possibilité de trous
de 15 m longueur
22 mm
Il existe aussi des machines équipées à la fois de bras munis d’une glissière
de foration pour l’avancement à l’explosif et d’un bras nacelle, à partir de
laquelle les opérateurs mettent en place les boulons.
2.1.5 - Outillage
L’outillage de foration est constitué de taillants, de tiges et d’accessoires de
liaison (manchons, emmanchement…).
Pour le boulonnage courant, les trous à réaliser sont de petit diamètre (inférieur
à 50 mm) et de longueur réduite (4 à 6 m). A partir de 6 m, les barres doivent
être manchonnées et les diamètres de foration sont plus importants.
également, et très souvent, des boulonneurs mécanisés complètement l’opération de pose. Ceux-ci sont équipés d’une glissière sur laquelle prennent place
l’outillage de foration, un magasin de boulons, et le mécanisme de mise en
place des boulons. Le magasin est généralement limité à 10-12 boulons (Fig.
18). La taille des plaques que l’on peut mettre dans ce magasin est limitée. Il
existe également des magasins et des systèmes de mise en place qui accommodent plusieurs types de boulons.
2.2 - Exécution de la foration
2.2.1 - Evacuation des cuttings
En tunnel, pour l’évacuation des cuttings, la foration avec injection d’eau est
préférée à la mousse ou à l’air comprimé.
Le nettoyage du trou se fait par curage et/ou soufflage à l’air comprimé lors
du retrait de la barre. Dans tous les systèmes de renforcement des terrains,
le nettoyage est nécessaire, mais il est primordial que le nettoyage soit effectué
avec un soin particulier dans le cas du boulonnage scellé, et en particulier
pour les scellements à la résine.
Fig. 18 - Tourelle de boulonnage.
2.2.2 - Machines de foration pour boulonnage
La mise en place d’un boulon s’effectue, de manière simplifiée en trois étapes :
• La foration d’un trou de boulonnage
• La mise en place du boulon
• Le serrage et/ou scellement
Plusieurs possibilités pour mécaniser la pose des boulons et plusieurs niveaux
de mécanisation existent.
La premère est d’utiliser le même jumbo pour la foration des trous de mine et
des trous du boulonnage (Fig. 17). Ces jumbos peuvent être équipés de glissières
télescopiques pour adapter les longueurs de foration aux forages d'abattage et
de boulonnage. Ces matériels peuvent être équipés d'articulations, pour pouvoir
se mettre en position de boulonnage (radiale)
avec une cinématique parfaitement adaptée.
Fig. 17 - Bras de foration mixte
foration / boulonnage.
Actuellement, des boulonneurs automatisés sont utilisés pour :
• Les boulons à ancrage mécanique ponctuel
• Les boulons à ancrage réparti, scellés à la résine
• Les boulons à friction de type Split Set®
• Les boulons à friction de type Swellex®
Pour les boulons à ancrage mécanique et les boulons à ancrage réparti scellés
à la résine, la tourelle de boulonnage est équipée d’une rotative qui permet
de serrer le boulon, ou de tourner la tige dans la résine. Certains boulonneurs
automatisés permettent la mise en place simultanée de grillage.
Pour les boulons à friction de type Split Set®, la rotative est remplacée par
un marteau, et pour les boulons à friction de type Swellex® par un emmanchement et un embout qui permet l’injection d’eau dans le boulon.
Selon les engins et selon les terrains, il est possible aujourd’hui et de manière
économique de réaliser des forages de diamètre 32 à 89 mm sur des longueurs
courantes de 4 m à 8 m avec éventuellement une opération d’allongement de
barres. C’est donc dans cette « gamme » de forages que le boulonnage doit
M
Toutefois, la tendance actuelle est à la foration de volées longues, à trous de
mines parallèles, avec des jumbos 2 ou 3 bras. La cinématique des bras permettant la foration des volées devient alors incompatible avec la foration radiale
des trous de boulonnage. Des machines spécifiques sont donc disponibles,
soit avec foration mécanique et mise en place manuelle, soit en automatisant
complètement le processus de mise en place des boulons.
19
préférentiellement être mis en place. Le choix du type de boulons à mettre en
place aide à la spécification du type de foration à envisager notamment au
niveau des diamètres.
Compte tenu de l’encombrement, notamment du marteau et des flexibles,
il est important de prendre en compte, lors de la conception, la longueur
des boulons qu’il est possible d’installer dans une galerie de gabarit donné.
La longueur de la glissière est égale à la longueur du boulons plus 1 à 2 m
selon les matériels retenus.
2.3 - Travaux spéciaux
Dans les terrains de "forabilité difficile", il faut soit envisager une foration avec
tubage à l’avancement, soit utiliser les boulons de la gamme des autoforeurs.
On peut également envisager d’utiliser un fluide de forage de type coulis pendant la foration.
Pour ces applications spéciales, les machines utilisées sont des machines
non-standard, équipées spécialement pour ces travaux.
3 - BoulonsCe chapitre est consacré à la caractérisation du boulon y compris ses
accessoires et particularités (filetage, nervures, tête, plaque d’appui).
Dans le cas de boulons en matériaux composites, les sections peuvent être
de tout type.
Pour chaque type de boulons, il convient de préciser :
• Les matériaux constitutifs de la tige et de ses accessoires
• Les caractéristiques mécaniques de la tige et de ses accessoires (voir §3.1)
• Les caractéristiques géométriques de la tige et de ses accessoires
3.2 - Pointe ou dispositif d’ancrage
Les principaux matériaux utilisés sont les alliages d’acier, ou bien encore
la fibre de verre, et exceptionnellement la fibre de carbone. Le choix des
matériaux utilisés doit être adapté aux performances recherchées (limite
élastique, allongement à la rupture, destructibilité…).
3.1 - La tige
Il s’agit de la partie centrale du boulon. Sa section est pleine ou creuse selon
les cas.
La tige peut être lisse dans le cas des boulons à friction et des boulons à
ancrage ponctuel ou nervurée dans le cas des boulons à scellement réparti.
Dans ce dernier cas, les nervures améliorent le malaxage de la résine de scellement et donc le scellement.
Il faut citer également le boulon dont les nervures constituent un filetage
continu et qui permet un ajustement de sa longueur sur chantier (boulon de
type GEWI®).
Dans le cas des boulons autoforeurs, la tige peut éventuellement être constituée de plusieurs éléments connectés par manchon fileté.
Les profils standards de filetage sont :
Type « corde » (le plus courant),
Type « té »
Le filetage de type « corde » assure une bonne étanchéité au niveau des
manchons. Le filetage de type « té » facilite le dévissage.
Des profils de filetage non standard sont également utilisés.
20
M
Ce terme désigne l’extrémité de boulon au fond du trou de forage.
Sa fonction varie selon les types de boulons considérés :
• Coupe droite pour les boulons à scellement par injection.
• Coupe en pointe ou biseautée pour les boulons à scellement en cartouches :
elle permet de percer les cartouches de résine ou de mortier et favorise son
bon malaxage.
• Extrémité tronconique ou avec réduction de diamètre pour faciliter l’introduction des boulons à friction.
• Équipée d’un taillant, elle permet de forer le trou dans le cas des boulons
autoforeurs ; les taillants se déclinent en de nombreuses versions : ils peuvent
être traités ou garnis de plaquettes ou picots carbure, en croix, en arc...
• Équipée d’une coquille, elle constitue l'ancrage ponctuel du boulon : ces
ancrages sont constitués d’une noix centrale sur laquelle viennent glisser
de 2 à 6 coins selon la surface de contact recherchée en paroi du forage.
Ils sont réalisés en acier ou en alliage d’aluminium. Une traction exercée sur
la tige entraîne une expansion de la coquille. Le choix du type de coquille
doit être adapté aux conditions géologiques rencontrées et validé par des
essais (voir § 6).
3.3 - La tête
Ce terme désigne l’extrémité saillante du boulon qui permet de solidariser la
plaque de répartition au boulon.
Dans la majeure partie des boulons à ancrage ponctuel ou à scellement réparti,
elle présente un filetage de longueur 100 à 200 mm recevant un écrou de serrage
hexagonal. Ces filetages peuvent être taillés mais sont généralement roulés. Le
type d’exécution du filetage peut avoir une influence sur la capacité du boulon.
Des exécutions particulières peuvent présenter :
• Des têtes forgées en six pans pour permettre l’entraînement en rotation des
tiges HA scellées à la résine ou pour limiter la partie saillante des boulons
ponctuels. Dans ce cas, le serrage du boulon est obtenu par rotation de la
tige dans la tête d’ancrage.
• Des extrémités filetées complétées d’un dispositif d’entraînement en rotation
des tiges HA comme des méplats ou carré d’entraînement, des écrous entraîneurs résinés ou matricés, des écrous prisonniers ou goupillés.
Les boulons à friction présentent soit une bague soit un embout soudés, qui
viennent prendre appui sur la plaque d’ancrage mise en place avant le fonçage
du boulon.
3.4 - La plaque de répartition
Les plaques d’appui (Fig. 19) constituent un élément important du soutènement, et peuvent être utilisées seules ou associées à du grillage, des feuillards,
des blochets. Elles apportent un confinement du massif rocheux en tête du
boulon.
On peut également utiliser des tôles de blindage pour augmenter la surface
d’appui de ces plaques.
Les plaques se déclinent en 3 types principaux :
• Les plaques rigides dimensionnées de manière à constituer des appuis
statiques par rapport aux boulons auxquels elles sont associées.
• Les plaques déformables ou auto compensatrices permettant des déformations graduelles en fonction des charges exercées sur les boulons.
• Les plaques spéciales d’injection, de doublage pour le maintien de grillage,
de renforcement (de type « araignée »).
Pour les boulons à friction la plaque est immédiatement opérationnelle sans
serrage.
Pour les boulons à ancrage ponctuel ou réparti la plaque est serrée contre le
parement par l’intermédiaire de la tête avec serrage de l’écrou à la clef à choc
ou éventuellement à la clef dynamométrique. Le couple de serrage doit être
adapté au type de boulon et d’écrou.
La plaque bombée permet une certaine adaptation à la déformation.
Une plaque auxiliaire, clipsée ou vissée sur la tête filetée du boulon est, généralement utilisée pour la fixation du grillage ou du treillis d’armature, lorsque
ce type de dispositif est utilisé en complément du boulonnage.
L'utilisation de boulonneur et d’une tourelle de stockage contraint à l’utilisation
de plaques de dimension adaptée au matériel (≤ 15 x 15 cm), ce qui peut être
défavorable à la mobilisation du cône de terrain en tête de boulon et à la liaison
avec le parement.
Pour les boulons en fibre de verre, la plaque peut être tenue par un coin inséré
dans la tête du boulon écartant les lames ou les deux parties du boulon. Ce
procédé ne permet pas un serrage optimisé. Il existe aussi des boulons en
fibres de verre cylindriques et filetées en tête permettant la fixation d’une
plaque par un écrou. En général, la tête du boulon en fibre de verre constitue
une section de moindre résistance.
3.5 - Protection contre la corrosion
Plaques rigides
Injection
Plaques ajustables à rotule
Évent
Plaques de répartition
pour scellement Injecté
Lorsque la durée de fonctionnement du soutènement l'exige, une protection
contre la corrosion peut être prévue :
• Scellement continu au mortier au coulis ou à la résine
• Surépaisseur sacrificielle des pièces
• Galvanisation à chaud des pièces
• Protection époxy (peinture à chaud)
• "Coating" par bain bitumineux à froid
• Boulons gainés injectés (Fig. 27)
• Boulons inox
3.6 - Caractéristiques utiles au dimensionnement
Plaque Araignée
Fig. 19 - Exemples de plaques.
Les dimensions des plaques d’appui sont usuellement de 15 à 20 cm de côté
et 4 à 10 mm d’épaisseur, elles sont planes, bombées ou à rotule avec un trou
En accord avec les recommandations du Groupe de Travail GT30 de l'AFTES sur
la "conception et le dimensionnement du boulonnage radial", les principales
caractéristiques mécaniques utiles au dimensionnement du boulonnage, en
fonction du type de boulons et des références de fabriquant sont les suivantes :
• La résistance de la tige en traction à la limite élastique, en kN
• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) en traction à la
limite élastique, en kN
• La résistance de la tige à la traction de rupture, en kN
• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) à la traction
maximale avant rupture, en kN
M
Dans le cas des boulons acier à profils filetés ou autoforeurs, ou dans le cas
des boulons en fibres de verre à profils filetés, les têtes de boulons sont simplement équipées d’un écrou.
circulaire ou oblong afin de permettre une meilleure adaptation à l’angle effectif
du forage de la barre et de l’écrou.
21
• L’allongement relatif de la tige en traction à la limite élastique, en %
• L’allongement relatif de la tige à la traction de rupture, en %.
Ces caractéristiques, obtenues par des essais de traction en laboratoire sur
tout ou partie des éléments constituant le boulon tel qu’issu de la fabrication
doivent être garanties (« valeur minimum garantie ») et elles sont indépendantes des conditions de mise en œuvre (foration, scellement, …).
Les caractéristiques de la tige peuvent être théoriquement déduites des caractéristiques géométriques du boulon et des caractéristiques mécaniques du
matériau qui le compose, telles que :
• La section résistante de la tige, en mm²
• La contrainte en limite élastique à la traction du matériau, en MPa
• Le module de déformation élastique (module de Young) du matériau, en MPa
• La contrainte maximale en traction du matériau, en MPa
• La déformation à la contrainte maximale en traction, en %
M
Ces caractéristiques sont théoriquement accessibles quand il s’agit d’un
boulon HA B500B, (HA = Haute Adhérence, B = Barre, 500 = limite élastique
en MPa, B = classe de ductilité) mais elles devront être adaptées quand il s’agit
de boulons plus particuliers tels que les boulons à friction ou les boulons
mixtes. C’est pourquoi il conviendra toujours de privilégier la connaissance
des caractéristiques directement mesurables sur le boulon.
Le fonctionnement du boulonnage dans un massif rocheux implique également
la mobilisation des caractéristiques des boulons « au cisaillement », c'est-àdire sous une sollicitation de déplacement relatif, transversale à l’axe de la
tige. Il apparaît qu’il s’agit d’un fonctionnement complexe, impliquant les caractéristiques combinées de cisaillement et de traction du boulon lui-même, mais
également celles du rocher et du produit de scellement le cas échéant.
Aucun essai normalisé n’existe pour caractériser ce fonctionnement mais
diverses approches expérimentales ou théoriques ont été menées.
4 - Ancrages4.1 - Ancrage ponctuel ou ancrage mécanique
2 branches
3 branches
6 branches
L’ancrage du boulon est réalisé à l’aide d’une coquille qui comporte généralement de 2 à 6 coins, et d’une noix centrale. Une tige filetée est insérée dans
la noix (Fig. 20 et Fig. 21).
Les branches de la coquille sont écartées lors du serrage du boulon. Les coins
de la coquille sont plaqués contre les parois du trou et la tige est mise sous
tension (précontrainte).
La mise en place du boulon est réalisée en serrant à un couple recommandé
par le fabricant l’écrou de serrage qui est situé sur la plaque.
Le choix de l’ancrage dépend de la nature de la roche et doit être choisi en
fonction de résultats d’essais préalables.
L’ancrage dépend des paramètres suivants :
• La qualité de la roche au niveau du point d’ancrage (Rc min.) : en dessous
d’une Rc de 10 MPa, il est nécessaire d’utiliser des coquilles spéciales. Le
boulonnage à ancrage ponctuel n’est, dans ce cas, pas recommandé
• La surface de la coquille en contact avec le terrain : elle évolue de manière
inversement proportionnelle à la résistance du terrain
• Le matériau qui constitue la coquille
• Les diamètres respectifs de la
coquille et du trou de foration
• Le serrage initial de l’écrou
noix
Fig. 21 - Exemples d’ancrage mécanique.
L’ancrage ponctuel a pour principale qualité de produire un confinement immédiat après l’installation, et donc de procurer une mise en sécurité immédiate.
Sa mise en œuvre est simple et rapide.
Lors de la mise en œuvre, il convient de s’assurer du bon serrage du boulon
et faire en sorte que la plaque soit en contact intime avec le terrain. Le temps,
et/ou les vibrations dues aux tirs, peuvent produire un écaillage autour de la
plaque. L’efficacité du boulon devient nulle lorsque la plaque n’est plus en
contact avec le terrain.
Il convient de vérifier et/de resserrer la plaque, au moins une fois, lorsque c’est
possible.
4.2 - Scellement à la résine ou au coulis
coin
tige
Fig. 20 - Principe de fonctionnement
d’un ancrage mécanique.
22
La résine permet le scellement du boulon sur la totalité de sa longueur. Ce
La résine est généralement fournie sous forme de cartouches qui contiennent
un catalyseur et un durcisseur (Fig. 22).
Actuellement, compte tenu des matériels disponibles, et de la forte viscosité
des résines, la mise en œuvre mécanisée des boulons scellés est couramment
réalisée jusqu’à 5 m de longueur, la limite étant imposée par la résistance de
la résine lors du malaxage.
La durée de durcissement des résines, donc du scellement, est classiquement
de 5 à 15 min (en fonction du produit et de la température). Il confère une efficacité extrêmement rapide à ce type de boulon, ce qui est un élément de choix
important pour le type de boulonnage utilisé.
Catalyseur
Résine
Fig. 22 - Cartouche de résine.
Les paramètres importants pour la pose de boulon à la résine sont :
• Le diamètre du trou de boulonnage et sa bonne tenue sur toute la longueur
• L’espace annulaire entre les parois du trou et la tige retenue (Fig. 23)
Diamètre du trou
de forage D
Diamètre de la
tige D
Fig. 23 - Espace annulaire
entre le trou et la tige.
Espace
annulaire e
• Le nettoyage du trou, qui doit être débarrassé de tout résidu de forage
(cuttings)
• La profondeur du trou : une sur-profondeur du trou conduira à une consommation accrue de résine et à un mauvais mélange
• Les charges de résine doivent être introduites et poussées en fond de trou,
et la position des charges dans le trou doit être contrôlée. Un parachute permet de retenir les charges de résine dans le trou dans l’attente de l’introduction de la tige
• La mise en place du boulon doit suivre les recommandations du fournisseur.
Les différentes étapes de la procédure sont les suivantes (Fig. 24) :
- L’introduction de la tige, en faisant tourner la tige tout en la poussant
vers le fond de trou
- Le malaxage : maintien de la rotation de la tige une fois en fond de trou,
pour permettre un bon mélange résine/durcisseur
- Le serrage après prise de la résine
Avec un boulonneur automatisé l’introduction des cartouches dans le trou se
fait le plus souvent avec une « sarbacane » à air comprimé. Elle nécessite un
trou propre et libre de tout élément susceptible de blesser ou de faire obstacle
à la mise en place des cartouches. C’est souvent le point le plus délicat de la
chaîne de mise en œuvre.
Les paramètres suivants doivent être contrôlés :
• Le temps de malaxage qui dépend du type de résine : une durée insuffisante
ne permettra pas à la résine de durcir de manière convenable, mais un temps
de malaxage trop important nuira à la polymérisation de la résine et donc
au bon ancrage du boulon
• La vitesse de rotation doit être contrôlée et le temps de mélange adapté à
la vitesse envisagée
• La température de mise en œuvre influence le temps de prise de la résine
Le stockage des cartouches de résine doit être pris en compte dans l’installation et la gestion du chantier :
• La durée de vie en stockage est limitée : quelques mois au maximum à une
température moyenne de 20-25°C. Cette durée de stockage diminue en
s’écartant de cette température moyenne. Il est recommandé de prévoir une
rotation du stock.
• La température de stockage ne doit pas descendre en dessous de 0°C.
• Les cartouches doivent préférablement être stockées dans un endroit frais
et sec, à l’abri de la lumière directe du soleil.
• Dans les procédures de mise en œuvre, si la température du stockage diffère
trop de la température de mise en œuvre, il faut prévoir le temps pour que
la température de la résine atteigne la température de mise en œuvre.
• L'élimination des reliquats ou rebuts doit se faire dans des filières adaptées.
Les cartouches de résines sont livrées en cartons d’une vingtaine d’unité. Sur
les emballages, il est nécessaire d’avoir au moins les indications suivantes :
• Fournisseur/Origine
• Type de produit et contenance des cartouches individuelles
• Pictogrammes et phrases de sécurité le cas échéant
• Date de fabrication
• Date de péremption
• Numéro de lot
La résine peut être injectée sous
forme pompable pour certaines
applications.
Fig. 24 - Étapes de mise en place
d'un boulon à la résine.
M
type de scellement ne convient qu’aux rochers qui permettent un bon calibrage
du trou d’ancrage. Il existe des résines à temps de prise « rapide » et « lent ».
23
4.2.2 - Scellement au mortier ou au coulis
L’injection ultérieure à la pose des boulons est également envisageable.
Ce produit de scellement se présente sous la forme de mortier cartouché, ou
de mortier sec en sac ou de coulis pompable.
Les paramètres qui influent sur la mise en place des produits de scellement
sont :
• Le temps entre le gâchage et la mise en œuvre (max. 15 à 20 mn), qui dépend
de la température ambiante et de la température de l’eau de gâchage
• Le temps entre l’injection et la pose de la barre du boulon
• La température ambiante de mise en œuvre et la température du rocher.
Pour des températures trop basses (inférieures à 5°C) la mise en œuvre est
déconseillée
• Le dosage en eau
Le mortier (cartouche ou sac) utilisé est à base de ciment à haute résistance
et à prise rapide. Pour le coulis le sable utilisé doit être fin pour permettre la
pompabilité. Le retrait de celui-ci devra être limité, à défaut d’être expansif.
24
M
Le coulis à base de ciment, d’adjuvants et d’eau est généralement plus liquide et
d’une mise en œuvre plus compliquée que le mortier. Il peut être préparé sur place.
Paramètres à contrôler pour la spécification d’un coulis ou d’un mortier :
• Le temps de prise doit être adapté au travail demandé
• La thixotropie du produit doit permettre le pompage
• Le produit doit être à retrait limité, voire légèrement expansif
• La protection contre la corrosion des aciers ne doit pas être attaquée par le
produit
• Les résistances mécaniques à la compression et à la flexion
4.2.2.1 - Mortiers d’ancrage pompés
Les mortiers pompés sont des mélanges préparés spécifiquement pour le
chantier ou pré-mixés à sec, prêts à l’emploi, fournis par des formulateurs.
Les mortiers prêts à l’emploi sont adjuvantés et ont généralement des caractéristiques qui rendent la mise en œuvre plus aisée et améliorent la qualité de
l’ancrage : thixotropie, absence de retrait, pompabilité. Ils peuvent présenter
des durcissements rapides, permettant de mettre en tension les boulons après
4 ou 5 h selon les objectifs recherchés. À un jour, les résistances atteignent
15 à 35 MPa selon les produits.
4.2.2.2 - Composition des mortiers de chantier
Pour des mortiers basiques préparés sur le chantier, le dosage pondéral est
le suivant :
• 1 ciment
• 1 sable (0-3 mm ou moins)
• 0.3-0.35 eau/ciment (E/C)
Il est possible d’obtenir des mortiers présentant de fortes résistances aux
jeunes âges en utilisant des liants hydrauliques à prise rapide (type Vicalpes®),
ou du ciment prompt.
Exemple de composition d’un mortier avec une prise à 1 heure dite "rapide" :
• Sable 0-2mm :
55%
• Filler :
11%
• Vicalpes® R
17%
• CEM I 52.5 R
17%
• Eau
• Adjuvants
La résistance de ce mortier est de 6 MPa à 3h et de 18 MPa à 24h.
Procédure standard de mise en œuvre :
a) Préparation du mortier :
- Gâchage du mortier en suivant les recommandations du fabricant,
notamment en ce qui concerne la quantité d’eau
- Malaxage
b) Injection du mortier à l’aide d’une pompe, en remplissant le trou du fond
vers la tête :
- Un flexible d’injection est introduit en fond de trou
- Le mortier injecté par la pompe pousse le flexible qui se déplace vers
l’extérieur. Une certaine résistance doit être opposée à la remontée du
flexible pour s’assurer du remplissage des vides et des interstices
c) Introduction des tiges par simple poussée de la tige :
- L’introduction du boulon permet la diffusion d’une certaine quantité de
mortier dans les éventuels interstices du terrain
- En fin d’opération, le mortier doit normalement ressortir en tête du boulon par l’espace annulaire entre la tige et le trou
- Une cale en bois permet parfois de maintenir le boulon dans le trou pendant la prise du scellement (pour les boulons subverticaux)
d) Serrage des boulons, après la prise du mortier : le temps de prise du mortier
dépend des caractéristiques du produit choisi et de la température de mise
en œuvre
Type de mortier
Rapide
Temps de prise
(à 20°C)
Rc 2 h
Rc 1 j
Rc 28 j
28 - 30 min
5 -10 MPa
20 - 35 MPa
35 - 70 MPa
35 - 70 MPa
35 - 70 MPa
Standard
1-2h
25 - 40 MPa
Lent
4-8h
25 - 40 MPa
4.2.2.3
Mortiers d’ancrage en cartouches
Les cartouches contiennent un mortier sec prêt à l’emploi et sont conditionnées
dans un emballage perméable qui permet l’absorption de l’eau. Leur utilisation
est réservée aux travaux de boulonnage limité en quantité et pour des boulons
de faible longueur. Ces cartouches sont mises en place par bourrage (bourroir).
Les boulons sont ensuite introduits par simple poussée.
4.3 - Boulons à friction à expansion hydraulique
Ces boulons sont des tubes repliés sur eux même, qui sont introduits dans le
trou et gonflés à l’eau sous pression.
La pression de gonflement pour la mise en place est de l’ordre de 30MPa, il
convient de vérifier sa compatibilité avec la qualité de la roche. Dans tous les
© Atlas Copco
Procédure d’installation du boulon (Fig. 25) :
• Insertion du boulon dans le trou, connecté à la lance d’injection
• Gonflage, durée de 30 s à 1 min
• Fin de l’installation
Fig. 25 - Mise en place d'un boulon à friction à expansion hydraulique.
Mise en place
Boulon installé
- forces radiales
- forte pression
de plaque
Forage
- 35 à 38 mm (SS39)
- 41 à 46 mm (SS46)
Fig. 26 - Mise en place d'un boulon à friction enfoncé à force.
Paramètres qui influencent l’ancrage :
• Qualité de l’acier utilisé : il existe deux qualités principales de boulons de
type Swellex® (gamme standard et gamme au manganèse)
• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons avec un revêtement anticorrosion
• Qualité de la fabrication du tube et des soudures d’extrémité
• Pression d’injection d’eau
• Qualité de la roche dans le terrain : ce type de boulon est adapté aux terrains
dont la résistance est compatible avec la pression de gonflage. Dans les
autres terrains, on utilise des manchons pour éviter l’endommagement du
terrain, au voisinage de la tête de trou
• Diamètre de foration contrôlé pour chaque type de boulon et en fonction des
recommandations du fournisseur
4.4 - Boulons à friction enfoncés par percussion
(à force)
Ces boulons à friction sont constitués d’un tube en acier à haute limite
élastique, ouvert le long d’une génératrice sur toute la longueur du tube.
Caractéristiques du boulon à friction :
• Mise en place simple (par percussion au marteau)
• Système actif et dynamique de renforcement par friction. Le boulon contrôle
la dilatation des terrains de par ses fortes capacités à l'allongement et au
cisaillement sans rupture
• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons galvanisés
à chaud
• Couramment, sa longueur est limitée à 4 m environ
Paramètres pour assurer une bonne mise en place des boulons à friction :
• Le diamètre de foration doit être contrôlé et respecter les recommandations
du fournisseur
• Les caractéristiques du terrain : ce type de boulon montre son efficacité dans
les terrains fracturés où il permet de maintenir les blocs entre eux
• La qualité de l’eau dans le massif influence la durabilité du boulon
La mise en place du boulon est relativement simple, ce qui est son principal
avantage.
4.5 - Ancrage mixte
Il existe plusieurs combinaisons de boulons d’ancrage mixtes. Le but est généralement d’obtenir les avantages d’un ancrage immédiat garanti par une
coquille d’expansion, et la résistance à long terme d’un boulon à ancrage
réparti.
Il est le plus souvent une combinaison d’ancrage ponctuel et réparti, mais
d’autres combinaisons existent, telles que :
• Ancrage ponctuel + injection de résine ou de ciment entre trou et boulon
• Friction + injection de ciment dans le tube du boulon
4.5.1 - Ancrage ponctuel + Injection de ciment
Il est possible d’obtenir à la fois les avantages de l’ancrage mécanique et de
l’ancrage réparti en utilisant des boulons à ancrage mécanique et en injectant
a posteriori dans le trou de boulonnage une résine ou un coulis de ciment.
M
Les pompes de gonflage doivent être contrôlées et régulièrement révisées.
Procédure de mise en œuvre (Fig.26) :
• Insertion du boulon équipé de sa plaque dans le trou
• Le marteau est mis en place et le boulon est enfoncé à force dans le trou.
Il convient de maintenir la poussée jusqu’au contact de la plaque au
parement.
© Metal Service
cas, elle doit impérativement être définie et décrite dans les procédures de
boulonnage de chantier (essais préalables).
25
M
Il est possible de forer à l’eau, à l’air ou bien au coulis.
Bien que cela ne soit pas répandu, il est possible d’envisager
un scellement avec une résine pompable.
Certains types de boulons possèdent une tige creuse dans laquelle le produit
de scellement peut-être injecté (comme pour les autoforeurs) entre barre et
ancrage ponctuel et terrain. D’autres boulons (CT Bolts®) permettent d’injecter
le produit de scellement entre une gaine PVC et la tige du boulon jusqu'à la
tête de l’ancrage (Fig. 27).
Fig. 29 Installation
d'un boulon
autoforeur.
4.5.2 - Friction + injection ou remplissage de ciment
Le boulon à friction enfoncé à force (§ 4.4) peut être injecté avec un mortier
ou coulis après mise en œuvre.
Il existe également une variante de type de boulon à friction enfoncé par percussion pouvant recevoir des cartouches contenant un liant à base de ciment
légèrement expansif (Fig. 28). Lors de sa prise, le ciment produit une pression
sur le tube qui constitue le boulon, et renforce son matriçage dans le terrain,
augmentant ainsi l’effort nécessaire pour faire glisser l’ancrage (10 à 15 t/m).
Procédure d’installation (Fig.29) :
• Foration du trou avec la tige du boulon
• Addition éventuelle d’une longueur par utilisation d’un manchon
• Injection
• Mise en place de la plaque
4.6.2 - Boulons en fibres de verre
Des boulons autoforeurs en fibre de verre sont disponibles. Leurs principaux
avantages :
• Ils sont injectables
• Leur poids est faible
• Ils sont insensibles à la corrosion
• Ils sont facilement destructibles, et donc bien adaptés pour le soutènement
provisoire dans les zones dans lesquelles il faudra ensuite excaver.
Fig. 28 :- Exemple d'ancrage mixte (friction + injection
de ciment) type Split Set® injecté.
Ils sont mis en œuvre en mode de foration rotative.
4.6.3 - Boulons autoforeurs à friction
4.6 - Boulons autoforeurs
4.6.1 - Boulons en acier
Les boulons autoforeurs sont constitués de tiges creuses, équipées en extrémité (pied) d’un taillant perdu. Après foration avec retour du fluide de foration
par le vide annulaire, on injecte un coulis par la tige qui assure le scellement
du boulon.
Ces systèmes sont directement mis en lieu et place de la barre de foration et
du taillant. Ils sont conçus pour être mis en place avec un matériel de roto percussion courant.
L’ancrage étant du type réparti, les facteurs qui influencent la qualité de
l’ancrage seront les mêmes avec certaines difficultés supplémentaires : le
diamètre du taillant doit être suffisamment petit pour que l’espace annulaire
permette un bon scellement au mortier ou au coulis, néanmoins il doit être
suffisant pour s’assurer de la bonne évacuation des cuttings.
26
© Atlas Copco
Fig. 27 - Exemple de mise en place d'un boulon à ancrage mixte type CT Bolt®.
Ce type de boulon fonctionne comme un tubage à l’avancement, mais dans
ce cas le tubage est fendu, comme dans le cas du boulon à friction enfoncé
à force type Split Set®. Le marteau, utilisé pour la foration, force également
le tubage dans le trou qui procure un ancrage par friction immédiat dès son
installation (Fig. 30).
Power Set drill bit
AT - Pc
Power Set
drill
Power Set adapte
Fig. 30 - Procédure de mise
en place d'un boulon
autoforeur à friction (DSI®).
5 - Sécurité de la phase boulonnage-
5.1 - Textes de référence
Le "Guide des bonnes pratiques pour la Sécurité et la protection de la Santé
lors de travaux souterrains" édité par la CARSAT-RA est un document de référence sur lequel le maître d'ouvrage, le maître d'œuvre et l'entreprise s'appuieront pour rédiger les documents de conception et de chantier relatifs à la
sécurité (PGC, PPSPS, Procédures…).
Rappel de la logique à respecter pour la mise en œuvre des PGP (Principes
Généraux de Prévention) tels qu'ils sont définis par l'article L 4121-2 du Code
du Travail :
• éviter les risques professionnels et d'environnement
• évaluer au mieux les risques qui ne peuvent être évités
• privilégier la protection intrinsèque en recherchant des modes opératoires
adaptés aux lieux de travail, en utilisant des matériels adéquats et en veillant
toujours à respecter la règle suivante qui consiste à adapter le travail à
l'homme et non l'inverse
• toujours privilégier la protection collective et à défaut mettre en place des
protections individuelles adaptées
• assurer la formation du personnel vis-à-vis des risques qu'ils sont susceptibles de rencontrer
5.2 - Evaluation et analyse des risques
Le soutènement par boulonnage présente différents risques. Leurs sources
sont multiples depuis l'approvisionnement des matériels et matériaux jusqu'à
la mise en place du soutènement sans oublier la phase "contrôles". Elles résultent essentiellement de la mise en place des soutènements et de la surveillance
de leur comportement.
En effet, les risques liés au terrain sont à prendre en compte car l'excavation
non encore soutenue présente de graves dangers notamment la chute de blocs.
L'analyse de l'activité "boulonnage" démarre dès l'approvisionnement des
matériaux et des matériels, phase au cours de laquelle les ouvriers font des
tâches répétitives de manutention demandant parfois des efforts physiques
pouvant entraîner de mauvaises postures. L'implantation des zones de livraison
et de reprise des matériaux sera faite de manière à ce que les manœuvres et
circulations ne génèrent pas d'accidents de la circulation.
La phase foration peut être à l'origine de plusieurs risques dont certains sont
liés au matériel. Il peut s'agir :
• de coincement de main ou de doigt par exemple lors de la mise en place de
tige ou changement de taillants
• de chocs impulsifs liés aux vibrations produites par des marteaux perforateurs
Le manque d'éclairage tout comme le sur-éclairement des zones de travail
peut engendrer des situations à risques. Pendant la foration, le bruit et la
poussière émis par l'engin de foration insuffisamment équipé peuvent être
source d'inconfort et de maladies professionnelles pour les ouvriers.
La phase de mise en place du boulon présente des risques communs à tous
les types de boulons et d'autres spécifiques au type de boulons mis en œuvre.
La manutention du boulon et sa mise en place dans le trou de foration peuvent
entraîner des blessures aux mains et des chocs du fait de l'emploi de masses.
Pour les boulons de voûte, le travail à partir d'une nacelle peut être à l'origine
de chutes de pièces diverses sur les zones inférieures.
La mise en place des boulons à ancrage réparti scellés présente des risques
liés à l'emploi de pompe à injection. La préparation des produits de scellement
peut entraîner des risques de brûlures cutanées, d'inhalation voire d'ingestion
de poussières (fines). Ensuite, lors de l'injection, des ruptures de flexibles
peuvent se produire entraînant les mêmes risques que lors de la préparation.
Lors de la mise en place des boulons à ancrage ponctuels, les risques sont
essentiellement liés à la manutention des accessoires comme la mise en place
des coquilles d'ancrage et des plaques et écrous de serrage.
Pour les ancrages à friction, les risques dépendent du type du boulon. Les
boulons dont l'efficacité n'est effective qu'après leur gonflage à l'eau tout
comme les boulons entrés à force dans le terrain présentent les risques liés
aux matériels utilisés pour la mise en place : pompe d'injection d'eau pour les
premiers, engin de frappe pour les seconds.
5.3 - Mesures à prévoir
Les mesures à prévoir pour la surveillance du comportement des boulons, que
ce soit pendant la phase excavation ou au cours de la vie de l'ouvrage lorsque
le soutènement reste apparent, relèvent des contrôles.
Les acteurs de la construction (prescripteur - MOA, MOe, coordonnateur SPS,
et les entreprises) ainsi que les gestionnaires d'ouvrages se référeront au
paragraphe "6.4 de la présente recommandation - "Surveillance des boulons"
en cours de chantier.
Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au terrain sont :
• Surveillance du terrain : affectation d'une personne chargée de l'auscultation
des soutènements
• Purge systématique préalable en privilégiant la purge mécanisée
Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au matériel durant la foration sont :
• Mettre en place les formations à l'utilisation et à la maintenance des engins
de foration
M
Dès lors qu'un type de boulonnage est retenu, l'entreprise se doit de respecter
un certain nombre de dispositions pour que la mise en œuvre des éléments
de boulonnage se déroule avec le maximum de sécurité.
Le boulonnage doit être réalisé après la purge des parois et du front voire
après l’application d’une première couche de béton projeté de confinement.
27
• Sécuriser les nacelles conformément à la réglementation et à leur utilisation
spécifique
• Mécaniser au maximum les tâches (lorsque la section et le nombre de
boulons à mettre en œuvre le permettent) : livraison des boulons, changement de tige et barres de forage
• Prévoir, si la foration est effectuée manuellement, des supports permettant
de reposer le matériel (poussoir) et aménager l'espace de travail au pied de
la paroi à boulonner pour éviter toute chute de personne
• Eviter les circulations de personnel à proximité : pour se prémunir du risque
de heurt et de happage du personnel situé au voisinage de la machine de
foration lors d’un mouvement brusque de la glissière, il est nécessaire de
définir un périmètre de sécurité autour des machines ainsi que certaines
règles de bonne entente afin d’attirer l’attention du chauffeur lorsque
quelqu’un doit passer dans son rayon d’action
M
• Éviter de générer de la poussière et toute projection de matériaux : privilégier
le forage à l’eau ou au mélange air/eau. Dans les terrains pulvérulents ou
dont la nature présente des risques pour la santé, mettre en œuvre un
dispositif de captage des poussières et de ventilation de la zone de travail.
• Relativement au bruit : privilégier les matériels électrohydrauliques et insonorisés, sans préjudice du port des EPI.
Les mesures à prévoir vis-à-vis des risqués liés à la mise en place du boulon
sont :
• Privilégier l'emploi de robot de boulonnage
• Si le boulonnage est réalisé manuellement, mettre en place les formations
adaptées aux types de boulons
• Porter des EPI (Equipements de Protection Individuels) adaptés
6 - Contrôle du boulonnage6.1 - Principes de contrôle
Pour s’assurer de la qualité et de l’efficacité du boulonnage, plusieurs types
de contrôles et d'essais peuvent être effectués à différents stades.
On distingue :
• des essais préalables réalisés au stade du projet pour valider le système de
boulonnage envisagé, notamment son dimensionnement par rapport à la
qualité des terrains à boulonner (des essais qui peuvent aller jusqu’à l’arrachement du boulon d'essai)
• des épreuves de convenance, avant travaux, pour vérifier l’adéquation du
système de boulonnage choisi avec le matériel de mise en place et les conditions in situ, notamment de terrain
• à leur arrivée sur le chantier, le contrôle systématique des différents constituants (boulons et scellements) ainsi que celui des matériels de mise en
œuvre
• des essais de contrôle réalisés en cours d’exécution sur les ancrages appartenant au dispositif de soutènement, pour en vérifier l’efficacité
Il est possible également d’ausculter des boulons dans le temps, en plaçant à
poste fixe des cellules dynamométriques à la tête de l’ancrage entre plaque et
écrou, et de relever périodiquement la déformation à l’aide d’un comparateur.
• à la réception et à la mise en place : diamètre, longueur, filetage, tête et
pointe, absence de rouille, de graisse… :
- pour les tiges en HA dont les diamètres sont prévus par les normes
AFNOR (14 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40) et donc faisant l'objet du certificat
d'homologation, il est absolument indispensable que la fourniture soit
accompagnée de la fiche descriptive en cours de validité relative NF
AFCAB de l'acier fourni
- pour les tiges en HA dont les diamètres ne sont pas prévus par les
normes AFNOR (18 - 22 - 26 - 28 - 30 - 34, etc.), il est indispensable
que la fourniture soit accompagnée du certificat de l'aciérie productrice ; ce document indiquera les données qui identifient le produit
(numéro de la coulée, analyse chimique, etc.) et aussi les valeurs
limites d'élasticité (Re, act), les valeurs de résistance à la traction
(Rm) et leurs "Rapport" relatifs, et enfin l'allongement total (Agt
exprimé en pourcentage) ; le tout selon les normes NF A 85-080-1
(2010-10)
- pour les boulons à friction, il convient de contrôler le marquage spécifique
à chaque boulon permettant sa traçabilité, selon la norme concernée
- Toutes ces valeurs déterminent les caractéristiques mécaniques de
l'acier
• la qualité de l’eau et du sable utilisés pour les mortiers
• les conditions de stockage des différents constituants
Ces contrôles et essais sont développés dans les paragraphes qui suivent.
6.2 - Contrôle des constituants
La qualité des différents constituants du boulonnage (boulons, coquilles d’expansion, taillants de l’autoforeur, et autres accessoires) et du matériel de mise
en œuvre sera contrôlée :
• par la vérification, dans la procédure d’agrément, des essais réalisés en
laboratoire par le fournisseur (limite élastique, limite de rupture, allongement
à la rupture, notamment des tiges…). Sur le chantier, il convient de vérifier
à la livraison les PV de contrôle du fournisseur
28
En ce qui concerne les produits de scellement (résine, coulis, mortier), on
vérifiera :
• pour les résines : l’état des cartouches à la réception, la limite de péremption
(généralement de quelques mois), les conditions de stockage, les vitesses
de polymérisation
• pour les coulis et les mortiers : les résistances à la compression à 7 j et
à 28 j, la viscosité, les temps de prise : 6 éprouvettes en sortie de lance
d’injection à chaque poste
• pour les mortiers en cartouche : l’état des cartouches à la réception, les
conditions de stockage
Il convient de se prémunir des risques de contrefaçons :
• Traçabilité
• Marquage
• Système de normalisation
• Certificat de conformité
6.3 - Modes opératoires des essais de traction et
d'arrachement sur boulons
Concernant les essais de contrôle des boulons scellés au mortier :
Le résultat de l'essai sera non seulement fonction de la prise du coulis de
scellement mais aussi de la convergence et du "serrage" du boulon suivant
l'augmentation de la contrainte orthoradiale.
L'essai doit donc être fait lorsque la vitesse de convergence est faible :
• sous faible couverture : 3 mm/jour
• sous forte contrainte: 1-2 cm/jour
6.3.1 - Principes généraux des essais sur boulons
Les essais de traction et d’arrachement sur boulons sont réalisés généralement
à l’aide d’un vérin creux qui permet de tirer sur la tête du boulon en s’appuyant
sur la paroi rocheuse aux alentours de la plaque d’appui de l’ancrage (Fig. 31).
Dans certains cas cependant, le Maître d’Œuvre peut demander des essais
destructifs afin d’évaluer la résistance Tu (en kN) de l’ancrage dans le terrain,
qui est fonction généralement de la longueur d’ancrage (ou qs exprimé en kPa
qui est le frottement latéral limite conventionnel).
Le nombre d’essais à réaliser par type d’ancrage et par type de conditions
géologiques est à fixer dans les prescriptions du marché. La résistance
moyenne est souvent définie à partir d’un minimum de 5 essais par type
d’ancrage et par type de conditions géologiques car une assez grande dispersion est habituellement observée.
Les essais préalables et les essais de convenance donnent lieu à un rapport
d’essai.
Les essais de contrôle sont à réaliser sur des ancrages appartenant au
dispositif de soutènement de l’ouvrage. On vérifie que l’ancrage résiste à une
traction d’essai Te définie à la conception qui est fonction de la traction limite
de service Ts du boulon (généralement Te = Ts ou plutôt 1,2 x Ts).
Pour un ancrage dont l’efficacité doit être immédiate, le contrôle doit se faire
rapidement après sa mise en place.
Pour les boulons scellés au mortier ou à la résine, le contrôle doit se faire dès
lors que la prise du scellement le permet (7 ou 28 jours pour le mortier, 8 ou
24 heures pour la résine selon les indications du fournisseur et selon les
prescriptions du marché).
Fig. 31 - Dispositif d’essai de traction.
Pour les boulons à ancrage mécanique, les essais peuvent être réalisés à l’aide
de la clef dynamométrique qui sert à les mettre en tension.
Des contrôles différés peuvent également être prévus pour vérifier la pérennité
d’un ancrage (voir § 6.4).
6.3.2 - Normes et recommandations
Le déplacement de la tête du boulon est mesuré à l’aide d’un comparateur,
ce qui permet de tracer la courbe effort–déplacement caractérisant le
comportement du boulon et de son ancrage.
La mise en tension se fait par paliers. A chaque palier, on mesure l’évolution
du déplacement ou la perte de tension, s’il y en a, qui définit une limite de
fluage (ou de ripage) de l’ancrage. On peut ainsi définir une résistance de pic
et, dans certains cas, une résistance résiduelle.
Les essais préalables et les essais de convenance sont à réaliser sur des
ancrages spécifiques n’appartenant pas au dispositif de soutènement de l’ouvrage ou ne participant pas à la stabilité de l’ouvrage en service.
Pour les soutènements à l’air libre, les essais préalables et les essais de conve-
Pour les ancrages scellés au rocher (mortier ou résine), la procédure d’essai
en arrachement comme en contrôle est décrite par la norme XP P 94-444
(décembre 2002) – Essai statique d’arrachement, sous un effort axial de traction, d’un ancrage scellé dans un massif rocheux – Essais par paliers :
• Les boulons sont mis en traction par incréments de charge et/ou de déplacement et les mesures sont faites à chaque incrément, lorsque charge et
déplacement sont stabilisés (en notant le temps de stabilisation). Les paliers
sont fixés à 5 minutes.
• Le programme d’essai à la rupture comporte 2 cycles de chargement/déchargement par paliers, le 1er cycle jusqu’à la tension limite estimée de l’ancrage
et le 2 ème cycle jusqu’à 2 fois cette tension. L’essai donne l’effort de traction
limite Tu associé à la longueur L de l’armature scellée dans le matériau
rocheux.
M
Par ailleurs, il convient de s'assurer que le contrôle qualité concerne toute les
étapes de la fabrication du boulon et que les boulons d'essais sont les mêmes
que ceux mis en œuvre.
nance sont généralement destructifs afin de mesurer la résistance du
scellement nécessaire au dimensionnement du soutènement. En revanche, en
souterrain, les essais préalables et de convenance ne le sont pas nécessairement. Ils sont alors réalisés de la même manière que les essais de contrôle,
dans les mêmes conditions de boulons et de terrain que celles de l’ouvrage
pour lequel ils sont prévus (voir ci-après).
29
• L’essai de contrôle (Fig. 32), lui, est réalisé en un seul cycle de chargement
en cinq paliers de 5 minutes jusqu’à atteindre Te puis en effectuant un
déchargement en trois paliers de 1 minute. Il peut également être demandé
de maintenir le dernier palier Te plus longtemps (20 ou 30 minutes) avant
de procéder au déchargement contrôlé. L’essai est dit concluant si la résistance moyenne des essais est supérieure soit à Ts, soit à 1,1 fois Ts (selon
les prescriptions du marché).
T
Te
t
P
Force de traction
Force de traction imposée par le contrôle
Temps, en minutes
Phase préparatoire de l’essai
Fig. 32 - Essai de contrôle. Programme de chargement – déchargement
(selon XP P 94-444).
La recommandation de l’ISRM et la norme ASTM suivent des méthodologies
similaires. Elles y sont décrites jusqu’à l’arrachement de l’ancrage. Leurs références sont les suivantes :
• ISRM – Suggested Method for Rockbolt Testing (1975),
• ASTM D 4435-84 (reapproved 1998) – Standard Test Method for Rock Anchor
Pull Test.
Dans le cas des essais à la rupture, des dispositions doivent être prises
pour :
a) éviter la cassure de l’armature sous l’effet de traction maximale :
- par le choix d’une section suffisante
- et/ou en limitant la longueur de scellement ; cette dernière doit cependant être suffisante pour englober les hétérogénéités du terrain
b) limiter les effets de bord :
- soit par la réalisation d’une longueur libre minimale lors du scellement
du clou (de l’ordre de 1 m dans le sol, 0,5 m au rocher)
Un contrôle de la longueur non scellée des ancrages est réalisé en introduisant
une tige dans l’espace annulaire libre de tout scellement.
- soit en disposant d’un bâti d’essai prenant appui au terrain autour de la
tête du clou, mais dont tous les points de la surface d’appui se trouvent
néanmoins à plus de 0,3 m des bords du trou
c) pour les boulons scellés au rocher (au mortier ou à la résine), l’essai intervient après un délai minimum de prise du scellement (7 à 28 jours pour du
mortier, ou 8 à 24 heures pour de la résine selon les indications du fournisseur et selon les exigences du marché)
Les essais d’arrachement sur les boulons à friction se réalisent de la même
manière. Ils se font immédiatement après leur mise en place (se reporter aux
30
M
indications du fournisseur). Des essais à plusieurs longueurs de boulon (3 minimum) permettent une évaluation plus fiable de la valeur du frottement limite
qs. La valeur de qs peut croître sous l’effet des mouvements de terrain autour
de l’excavation.
En dehors des boulons en tunnel, objets de la présente recommandation, il
existe d’autres procédures d’essai concernant les micropieux et les clous ou
ancrages au sol meuble, où la notion de fluage est ajoutée à la notion de traction de rupture, ainsi que les tirants d’ancrage. Ces essais visent généralement
à déterminer une valeur de frottement latéral limite qs nécessaire au dimensionnement des ouvrages concernés (stabilité des talus cloutés, fondations…
) mais peuvent aussi concerner les ouvrages souterrains :
• Ouvrages de grandes dimensions
• Travaux nécessitant un contrôle strict des déformations
• Proximité d’ouvrages existants
• Roche argileuse
•…
Ces procédures sont citées ici pour mémoire :
• Recommandations CLOUTERRE 1991
• Essais de traction à déplacement contrôlé (vitesse constante)
• Essais de traction à effort contrôlé (paliers de fluage)
• Norme NF P 94-242-1 (1993) – Essai statique d’arrachement de clou soumis
à un effort axial de traction – Essai à vitesse de déplacement constante
• ISRM - Suggested Method for Rock Anchorage Testing (1985)
• Norme NF P 94-153 (1993) – Essai statique de tirant d’ancrage
• Chapitre 6 des recommandations TA 95
• NF EN 1537 – Exécution des tirants d’ancrage : plusieurs méthodes d’essais
proposées au § 9 et en annexe E
6.4 -Surveillance des boulons en cours de chantier
En phase d’excavation, à une distance en arrière du front qui est fonction des
vibrations engendrées par les tirs d’explosif, ou sous l’effet d’un glissement
de l’ancrage, il convient de vérifier le serrage des écrous et de procéder, si
nécessaire, à un resserrage systématique de l’ensemble des boulons à ancrage
ponctuel. Ce type de contrôle est également souhaitable avant la mise en place
des dernières passes de béton projeté ou avant la mise en place de l’étanchéité
ou du revêtement selon le cas.
Les boulons dont la tête casse sont à changer ou à remplacer par un autre
moyen de soutènement.
Pour mémoire, il est possible de suivre l’évolution dans le temps de la tension
d’un boulon en interposant entre la tête du boulon et le rocher, soit une cale
dynamométrique, soit une cellule de chargement.
Un contrôle global du système de soutènement que constitue le boulonnage
associé ou non à du béton projeté est réalisé notamment par les mesures de
convergence dans le cadre de la méthode de "conception interactive" anciennement dénommée "méthode observationnelle". En cas de détection d’un
comportement jugé anormal, il peut s’avérer nécessaire de procéder à un ren-
forcement du système de boulonnage (augmentation de la densité, du diamètre
et/ou de la longueur des boulons, réduction du délai de mise en œuvre par rapport
à l’avancement du front, choix d’un autre type de boulon…), ou à une modification complète du système de soutènement (cintres lourds par exemple).
Dans les ouvrages où le soutènement reste apparent, il est indispensable pour
Les circulations d’eau, surtout si elles sont particulièrement agressives, peuvent entrainer la rouille de l’acier qui diminue l’efficacité du boulon et de son
ancrage. Il est d’ailleurs recommandé d’avoir recours dans ce cas à des produits protégés contre la corrosion, ou à mettre des boulons à ancrage réparti,
ou encore à sceller sur toute leur longueur les boulons à ancrage ponctuel
après leur mise en tension, à protéger la plaque et l’écrou. Néanmoins ces
précautions ne dispensent pas des contrôles périodiques.
7 - Matrice d’interprétation-
Scellement
mortier
Scellement
résine
Boulons
mixte
(ancrage
ponctuel +
scellement)
Boulons à ancrage réparti
BOULONS
Boulons à
ancrage
ponctuel
DONNÉES
Boulons
hybride
Boulons Type
(ancrage à
"Cone
friction +
Bolt®" *
scellement)
Boulons
autoforeurs
Boulons à Friction
Type
"Minova
SDA®"
"Alwag"
type AT
Power®
Type
Type
"Swellex®" "Split Set®"
Boulons
Fibre
de Verre
Boulons
Carbone
Traction
+++
++++
++++
++++
+++
++
+++
++
+++
+++
++
++
Cisaillement
+
++++
+++
+++
++
++++
+++
++
++
+++
++
++
Terrain fracturé
++
++
+
++
+++
+++
++++
+++
++
++
++
++
Forabilité terrain
médiocre
o
+
+
o
o
+
++++
++++
+
o
+
+
Caractère
permanent
+
++++
+++
++++
+++
++++
+++
o
++
++
+
++
Action immédiate
++++
o
+++
++++
++++
+++
++
++++
++++
++++
+++
+++
Action différée
++
+++
++++
+++
+++
++++
++
+++
+++
+++
+++
Gêne due à
la présence d'eau
++++
+
+++ R
++
++
++
+
++++
++++
+++
++ R
++ R
Drainage d'eau
++++
++
+
++
+
++
++
+++
++
++++
++
++
Etanchéité à l'eau
o
++
+++ R
++
++
++
++
o
+
+
++
++
Temps de mise
en œuvre
++++
++
+++
+++
++
+++
+++
++++
++++
+++
+++
* Boulon "coulissant" qui, aprés un glissement, conserve une efficacité
Ce tableau est donné pour aider au choix en matière de boulonnage, il n'intègre pas le coût des fournitures et accessoires
Légende
++++
Recommandé
+++
Bon
++
Moyen
+
Passable
o
Non recommandé
A vérifier
Traction : Aptitude à retenir ou porter : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon
Cisaillement : Résistance aux mouvements latéraux : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon
Terrain fracturé : Terrain avec un RQD faible : risques de coincement
Action : Action immédiate ou différée
Eau : Débit du forage
Etanchéité ou drainage recherché
R : Résine aqua-réactive t
M
Si, à la mise en tension d’un boulon à ancrage ponctuel ou après un certain
temps, il se produit un écaillage ou un délitage de la roche et que le contact
de la plaque d’ancrage n’est plus assuré avec le terrain, le boulon devenu inefficace doit alors être remplacé.
assurer la pérennité du soutènement que l’entreprise jusqu'à la réception de
l'ouvrage, ou le Maître d’ouvrage au cours de la vie de l’ouvrage, procède à des
actions de surveillance périodiques et réalise ensuite les actions adéquates.
31
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Tous droits de reproduction, adaptation, totales ou partielles sous quelques formes que ce soit, sont expressément réservés .

recommandation de l`aftes n°gt6r4f1

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