Building and Containment Design of the Small-Scale XADS

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Building and Containment Design
of the Small-Scale XADS: Sizing, Drawings
Didier De Bruyn
Version: 1.0.0
85-0405
RF&M/DDB/ddb.32.B043090/85/MYRRHA-Design/04-05
Table of contents
0. General introduction
5
1. The building reference concept
6
1.1. General description
1.2. Moving within the building
1.3. Penetrations in the MYRRHA hall
2. The two alternative concepts: positive points & drawbacks
2.1. The "covered building"
2.2. The "full underground"
3. Technical feasibility of digging in the Mol sands
3.1 The lateral walls
3.2. The foundation slab
3.3 Applicability to MYRRHA
6
6
7
8
8
8
10
10
12
12
4. Location on the SCK•CEN site at Mol
14
5. Items still under study at present time
16
5.1. General layout of the building
5.2. Over- and under-pressure within the building
5.3. Air- lock concept
5.4. Gas and liquid filtering
5.5. Determination of external loading
5.6. Determination of internal loading
16
16
17
17
18
18
List of references
19
List of appendices
20
List of figures and drawings
20
PDS-XADS - Deliverable 38
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0. General introduction
The core of the MYRRHA machine and the whole series of internals like the heat exchangers or
the primary pumps, the spallation target circuit as well as the fuel handling equipment (Benoit et
al, 2003) are installed in a pool vessel, filled with Pb-Bi, located in an air-controlled containment
environment. Furthermore, several factors lead to the decision to design the operation and
maintenance of MYRRHA with fully-remote handling systems (Kupschus et al, 2003): first, the
high activation on the top of the reactor (due to the neutron leakage through the beam line), then
the Po contamination when extracting components, and finally the non-visibility under Pb-Bi.
SCK•CEN has contracted therefore a feasibility study in the late 2001 to OTL, engineering office
specialised in remote handling, to provide with a global concept for the MYRRHA building. This
concept (Rolfe et al, 2002) includes the MYRRHA machine in its "2002 pre-design" phase (30
MWth ) and remains valid for the present mechanical design (50 MWth ), as only some dimensions
(like the thickness of the foundation slab) should be adapted.
In this concept, described in section 1 and the appendices 1 & 2, it is assumed that the accelerator
and the main beam magnets are located at ground level in a separate building. The beam line will
then enter the reactor building from above what means that the MYRRHA building has to be (at
least) partially sunk into the ground.
The reference concept may be improved by adding a 10 m-thick layer of sand, which is already
available from the digging of the building, to cover the whole surface. On the other hand, the
idea of lowering down the whole building has been launched a.o. to optimise the position of the
beam line provided by the accelerator (as a smaller number of bending magnets could be
required), but also to protect on an easier way the MYRRHA building from external events, like
aircraft impacts. These two alternative concepts, called respectively "covered building" and "full
underground " are shortly described in section 2 with their advantages and drawbacks.
The technical feasibility of excavating this large structure in the aquifer sands at Mol has been
examined by Belgatom; the full report is given as appendix 3 and is summarized in section 3. We
examine then (section 4) two potential locations for the MYRRHA building on the SCK•CEN
site, taking also into account the connection to the accelerator building.
Many items still need to be envisaged in the detailed design of the MYRRHA building, like at
which level of under- or overpressure the different areas within the building should function.
These items are listed in section 5, with our present way of dealing with.
The draft version of the present document has been submitted to review to Tractebel
Engineering. The comments are given as appendix 4. The present text has been updated
accordingly.
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1. The building reference concept
1.1. General description
The reference concept developed by OTL is presented on Figure 1. It consists of a long and
relatively thin building of rather 100 m length, 30 m width and 40 m height, of which 30 m are
already under the ground.
Approved\500_TVN_Fig_RH-v-cut01_1.0.0
Figure 1: Reference concept of the MYRRHA building – Vertical section
This building may be divided into two parts: the services (left part of Figure 1) and the
MYRRHA machine hall (right part), which could be structurally independent, depending on
seismic behaviour. The machine hall is maintained under oxygen-free atmosphere.
The components entering the building as clean items are transferred from ground level (left part
of Figure 1) via a lift shaft down to the "Assembly hall" (centre part of Figure 1) and, when
assembled, to the MYRRHA hall via an air-lock.
A separate "waste packaging & storage area" is located below the level of the MYRRHA hall.
All items designated for disposal will be transferred by means of a 2m x 2m skip in the hall floor
via an air-lock. Later the waste packages will be transferred to outside by a dedicated waste lift.
The building comprises also separate areas for inspection, sorting and deployment of adequate
tools, hot cells laboratories (also equipped with an air- lock) and control rooms.
1.2. Moving within the building
The building is separated in different zones, with different access restrictions:
•
•
Red zones: these are alpha-contaminated zones and access will be authorized uniquely with
tight suit; typical examples are the machine hall, inside the hot cells, the fuel storage pool or
the filters of the ventilation system.
Orange zones: alpha/gamma contamination is possibly present as well as activated materials
(but then under shielding); this is the case for the experiment rooms or the maintenance
workshops. Tight suits, masks and heavy protection will be used only when needed by the
situation.
•
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Yellow zones: contamination is possibly present, in case of malfunction of some equipment.
No tight suits are normally required. Typical examples are the working floor of the hot cells,
the corridors or the secondary coolant rooms.
These zones have been determined for the present reference concept and are described in
Appendix 1.
Appendix 2 describes, with extensive use of illustrations, typical equipment handling within the
building; "small equipment" like measuring devices or samples to be irradiated are considered as
well as "large equipment" like the fuel rods; both the entrance of equipment from outside to the
MYRRHA machine, and the removal from the MYRRHA machine to respectively outside or the
waste storage area, are envisaged.
1.3. Penetrations in the MYRRHA hall
The MYRRHA hall comprises at least three material air- locks for respectively the entry of large
components, the evacuation to the waste storage area and the hot cells. We have already to add
other entries like:
•
•
•
•
•
one beam- line entry coming from the accelerator building;
one chimney exhaust (to evacuate rare gases once diluted – see later in section 5.4);
the instrumentation cabling;
the pipes from the primary heat exchangers;
other utilities (compressed air, water, nitrogen) must also be foreseen.
We have, at present time, considered that a diesel-type emergency power supply (in case of main
power failure) would be installed at surface level and not within the MYRRHA building. The
cooling towers will probably be located at surface level and must be protected against external
events.
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2. The two alternative concepts: positive points & drawbacks
2.1. The "covered building"
The reference concept described in the previous section may be improved by adding on top a 10
m-thick layer of sand, which is already available from the digging of the building, to cover the
whole surface. A thickness ranging from 8 to 13 m has been recommended by several studies
from the years '70 (Kröger et al, 1978). Only entrances for personnel, material and evacuation of
waste remain then available through small- length galleries. Considering civil engineering works,
this alternative concept (Figure 2) presents no major supplementary difficulty and extra costs
should also remain limited. Only the area at the ground level occupied by the building becomes
much larger, but this is beyond the scope of the present report.
Figure 2: "Covered building" concept – Vertical section
On a safety point of view, the same level of performance should be obtained with this alternative,
except for external events, for which it would score higher. The ratio increase of performance /
increase of cost seems thus quite interesting. The decommissioning / dismantling of the "covered
building" alternative and of the reference concept would also be quite similar.
2.2. The "full underground"
This alternative concept (Figure 3) has at present time been only derived from the original OTL
concept and requires clearly further investigation. This option requires a deeper excavation in the
aquifer sands, it would be therefore interesting (more than in the reference concept) to re-arrange
the different components of the building in order to obtain a circle-inscriptible shape.
The digging phase will be quite similar to the reference concept; however, the foundation level
being much deeper, some civil engineering techniques may reach their limits due to water
pressures and flows. The follow-up of the water table evolution and of the settlements under the
surrounding buildings requires also a larger attention. The construction phase will be probably
much longer, so the additional costs (not yet estimated) will not be negligible. On the other hand,
the impact on the environment will be minimised, as only small structures for the entrance
portals will remain visible.
Diesel generators and cooling towers will be probably still located at ground level.
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Figure 3: "Full underground " concept – Vertical section
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3. Technical feasibility of digging in the Mol sands
Several techniques have been considered (Ramaeckers & Van Cotthem, 2003, see Appendix 3)
for the realizing of lateral walls and foundation slab of the building for both "reference" and "full
underground " concepts, the maximum depth to be excavated for pouring the concrete foundation
slab being respectively 30 and 50 m. The structural stability after completion of the works has
been examined. References of wo rks with similar dimensions and depths have been examined.
The geology at the location of Mol consists of fully saturated aquifer Neogene sands up to a
depth of 165 m (Wauters & Vandenberghe, 1994, De Bruyn, 2001). Watertightness of the
structures should therefore be guaranteed to avoid any flooding. These sands (Mol sands from 0
to 25 m depth, Kasterlee clayey sands up to 33 m and Diest sands up to 140 m) are recognised of
very high bearing capacity. We have moreover to take into account the vicinity of SCK•CEN
running nuclear facilities. Global and differential settlements need therefore to be monitored and
minimized.
3.1 The lateral walls
The diaphragm walls technique (see details and schematic drawings in Appendix 3) is well
known and suitable for the present project. Figure 4 shows the construction of the Culture and
Exhibition Centre in Monaco, with a maximum wall depth of 34 m.
Figure 4: Example of diaphragm walls in Monaco (source photo: Solétanche-Bachy)
This example is of particular interest for its rectangular shape, the walls being reinforced forming
a "T" shape. Depths even larger than 50 m have already been realized with the "diaphragm
walls" technique; moreover, watertightness can be guaranteed and this technique is recognised as
being particularly flexible. Figure 5 shows an example of a circular shape of large dimensions
(85 m diameter, 75,5 m depth, 2,2 m wall thickness) realised for the Akashi bridge pile
foundation in Japan.
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Figure 5: Example of diaphragm walls for the Akashi bridge pile foundation in Japan
(source photo: Solétanche-Bachy)
Several examples of open-well and pneumatic caissons (see details and schematic drawings in
Appendix 3) have also been found: the watertightness is guaranteed as well as the quality of
concrete. For instance, the third support of the Erasmus Bridge in Rotterdam has been built with
a pneumatic caisson with a length of 51 m and a width of 15 m at 24 m depth (source CFE).
However the maximum working time shift, following Belgian regulations, would be limited to 3
hours at a depth of 30 m; therefore we have excluded the technique of pneumatic caisson. Openwell caissons for a depth of 30 m represent no particular problem, but attention should be given
for the 50 m depth option.
Figure 6 presents the use of open-well caisson in Antwerp for Aquafin: the structure is a
rectangle of 20 m by 14 m at a maximum depth of 21 m.
Figure 6: Example of open-well caisson for Aquafin in Antwerp (source photo: Jan De Nul)
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The techniques of ground freezing and secant piles have been excluded for the present exercise,
at least for the realization of the whole structure. However, they may be well adapted for local
extensions, for instance if the thickness of the foundation slab should be increased locally (see
below in section 3.2). The technique of sheet piles has been excluded due to the level of loading
to be taken into account.
3.2. The foundation slab
In a similar way, the available techniques have been examined for realizing the foundation slab
at a depth of respectively 30 and 50 m. The most promising technique in our conditions seems to
be water concrete, either for the whole thickness of the slab, or for only a sufficient thickness to
allow dewatering and then the pouring of a second layer of plain concrete. Figure 7 illustrates the
results for the construction of the foundation slab of the Berlin underground metro network,
where surfaces up to 13000 m², at 18 m depth and with thicknesses up to 1.8 m have been
realized in such a way.
Figure 7: Example of water concrete foundation slab for the Berlin metro
(source photo: Pellegrims)
Several other techniques like jet grouting, consolidation grouting, ground freezing and secant
piles should not be considered for realizing the whole foundation slab but should not a priori be
excluded for some special shapes (local enlargement). Due to the level of the foundation slab, the
pipe jacking technique is not recommended, neither for the whole nor for local works.
The most "classical" solution a contractor envisages for such a building with complete
dewatering and pouring plain concrete has also be excluded due to site and environmental
considerations (mainly the volume of water to be evacuated and the water table level in the
surrounding environment).
3.3 Applicability to MYRRHA
By combining the available suitable techniques for both walls and foundation slab we obtain the
different possibilities to be further investigated in a later phase (planning and costs). The colours
used in Table 1 should be understood in the following way:
•
•
•
•
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Green: the combination of these techniques is suitable for the "reference concept" and
references exist; care should be taken for the "full underground " concept as few
references exist at such depth and for such a geometry;
Red: these techniques are strongly not recommended, neither for the works as a whole,
nor locally;
Black: these techniques could possibly have a severe impact on the environment and thus
should not be retained;
Orange: these techniques, if not suitable for realizing the complete works, may be
envisaged locally.
Only few combinations of techniques remain suitable, what confirms the complexity of such
works as a result of geology (aquifer sands), shape of the building (thin rectangle), depth of the
building (high water- and ground pressure) and surrounding nuclear environment (of which the
daily operation should not be compromised).
Table 1. Combination of techniques for the walls and the foundation slab
of the MYRRHA building.
\Walls
Diaph.
Pneum.
Open well Ground
Secant
Sheet piles
Slab
Walls
caisson
caisson
freezing
piles
Water concrete slab
Two phases slab
Dewatering + plain
concrete
Jet grouting
Consolidation
grouting
Pipe jacking
Ground freezing
Secant piles
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4. Location on the SCK•CEN site at Mol
We have been looking since the early years of the MYRRHA project for a suitable location for
both the MYRRHA and the accelerator buildings. Since we intend to largely use remotehandling for operation and maintenance, the re- use of an existing building on the SCK•CEN site
has been rejected. For the installation of these two new buildings, we took into account the most
demanding conditions:
•
•
for the accelerator, we consider a LINAC where the maximum occupied area should be 300
m long and 50 m wide, this length criterion being a more severe aspect than finding a
localisation for a small, more quadratic, building devoted to a cyclotron; actually 200 m
length should be sufficient for a 350 MeV machine;
for the building, we choose the "covered building" alternative (see section 2.1 and Figure 2)
where the occupied area amounts to 180 m length over 110 m width.
We have found two possible locations inside the technical domain of SCK•CEN, as illustrated on
Figures 8 and 9:
•
preferably (Figure 8) between the GKD, TCH and LHMA buildings, the beam line coming
roughly from the South; the vicinity of these buildings (hot cells at LHMA, workshops at
TCH and also HWP) being a positive point; water and electricity supplies would also already
be available; a possibility for cooling can be obtained through the BR2 "lagune" (right-hand
side of Figure 8); on the other hand, the settlements of these surrounding buildings during the
construction phase should be studied and minimised if not avoided;
Approved\500_TVN_Fig_LY-domain-full-2_1.0.0
Figure 8: Possible location 1 of the MYRRHA & accelerator buildings on SCK•CEN site
•
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as alternative (Figure 9) between the BR1 building and the GEO shaft 1 location, the beam
line coming roughly from the West; on this location the construction phase should be easier,
the existing buildings being located at a larger distance, but these distances to other facilities
would made the exploitation more complicated. Cooling facilities in the vicinity (channel)
are scarcer; a more difficult licensing process can therefore be expected.
Approved\500_TVN_Fig_LY-domain-full-4_1.0.0
Figure 9: Possible location 2 of the MYRRHA & accelerator buildings on SCK•CEN site
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5. Items still under study at present time
Several items concerning the building design are well advanced and have been presented in the
previous sections: general layout of a reference design, possible alternatives, civil engineering
techniques and possible locations on the SCK•CEN site. Other items, on the other hand, are
currently still being studied. We briefly summarize here those items and their present status.
5.1. General layout of the building
As already shown in section 1 and appendices 1 & 2, the horizontal section in the MYRRHA
building is a thin rectangle (100 m long by 30 m wide). This has indeed a positive influence on
the daily operation of the machine as the equipment handling within the building happen rather
along straight lines with a limited number of "chicanes". This shape should have a marginal
influence on the global costs, if the building would be constructed above ground or only a few
metres below the water table. In the reference concept, however, the foundation slab lies at a
depth of 30 m and so the influence of the "thin rectangle" shape would be far from marginal on
the cost and technical points of view. The general layout of the different zones within the
building needs therefore to be iterated for decreasing the civil engineering costs without
compromising its later operation.
5.2. Over- and under-pressure within the building
The MYRRHA hall should be oxygen- free and submitted therefore to an internal pressure
slightly higher than the atmospheric one to avoid any oxygen intrusion. Many reactor buildings
and nuclear buildings in the world, however, are designed, in the contrary, with a slight
underpressure. This is the case for BR2 at Mol and FRM-II in Germany (and the underpressure
is 2.5 mbar – 250 Pa – in both cases). The same order of magnitude (a range 2 – 5 mbar) is
referenced in the running design of the fusion facility IFMIF (Montone ed., 1996, section 2.7,
page 21). The main reason for this underpressure is to control the release of radioactivity outside
the building. In the case of MYRRHA, the risk of asphyxiation of personnel working in rooms
adjacent to the MYRRHA hall has also to be taken into account. One possibility to cope with
both difficulties is to design the walls of the MYRRHA hall as a "double-shell", as shortly
described hereunder.
Figure 10 presents schematically the different pressure levels in the MYRRHA hall, using the
following notations:
•
•
•
•
p0
p1
p2
p3
outside atmospheric pressure;
pressure between the shells;
pressure within the MYRRHA hall and
pressure within the sub-critical core (SC).
The different levels of pressure are then set accordingly:
•
•
•
p2 > p3 means that a leakage in the SC (release of radioactivity and of the inert gases) cannot
propagate in the MYRRHA hall;
p1 < p2 will avoid the O2 entrance inside the hall;
the third ∆p (p0 > p1) acts as supplementary precaution against the uncontrolled release of
radioactivity.
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p0
Connection flange
MYRRHA
MYRRHA Hall
Hall
MYRRHA Hall
Inert
Inert atmosphere
atmosphere
Oxygen-free
Inert atmosphere
atmosphere
Valve
p0 > p1
p1
p 1 < p2
p2
Cryo-pump
Cryo -pump
pump
Beam optics
Beam optics
Vacuum waste storage
Vacuum waste storage
p2 > p3
p3
Figure 10: Pressure level within the MYRRHA hall
5.3. Air-lock concept
If technology is widely available for working at different levels of over- or underpressure within
the building zones, references become scarce if we add that those zones would work under
different chemistries: oxygen-based in the areas where personnel should be allowed, oxygen- free
atmosphere in the MYRRHA hall.
5.4. Gas and liquid filtering
Special attention should be given to the gaseous wastes that can be produced. Even during the
normal operation the MYRRHA hall will become contaminated with Po-210 and other RA
products. In order to maintain the concentration at a reasonable level the atmosphere needs
therefore to be filtered. Some of the gases can be solidified on those filters. Rare gases should
then be sufficiently diluted and evacuated through a chimney equipped with radiomonitoring
control devices. This method is at present time used for the BR2-reactor in normal conditions
(Noël, 2003) and had also been used in the design of the German FRM-II reactor, which is in its
commissioning phase (Coors, 2003).
A similar reasoning should be followed for liquid wastes. At present time for both BR2 (in
operation) and FRM-II (in commissioning) reactors, the following procedure is in application:
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liquid wastes are collected in drums, then stored in a specifically dedicated room in the basement
of the building and finally transported to the waste reprocessing plant. For the BR2 wastes (BR2,
1998), they are separated into different classes depending on the measured activity.
5.5. Determination of external loading
At present time the following external loading cases have been listed: earthquake, airplane crash
and meteorological event. Regulations exist for each of these loading cases and have to be taken
into account in the design calculations. It is clear, however, that the earth cover layer (present in
the two alternative concepts, see Figures 2 & 3) makes these calculations easier for aircraft
impact. As already mentioned, a coverage thickness ranging from 8 to 13 metres seems the most
economic solution (Kröger et al, 1978).
For the earthquake calculations, the exercise has been performed for the BR2 building in 1987,
as a consequence of the safety review of 1986. For the restart of BR2 in 1997 after the
replacement of the beryllium matrix, a seismic qualification has been asked by the authorities.
The results are available elsewhere (AEA, 1997). The reference earthquake has therefore been
defined for the MYRRHA building.
Aircraft impact events are also taken into account since many years in the design of nuclear
power plants. This issue is being reanalyzed in many countries after the September 11, 2001
event.
Meteorological events (wind, snow) are already quantified for any surface building and the NBN
(Belgian regulations) should be applied.
5.6. Determination of internal loading
Classical internal loadings are defined with the different components of the MYRRHA machine
and its surrounding equipment. The over- or underpressure is also taken into account, even if one
order of magnitude lower than the external waterpressure in the aquifer sands. It is obvious also
that the effects of fire should be investigated.
Some items however are still under discussion, like which are the consequences of a malfunction
of the different mechanical parts. This point could lead either
•
•
to large parts falling down (size, weight) or
to an explosion, and as a consequence an increase of pressure, a release of liquid and/or gas
and parts transformed to projectiles (weight, speed) within the hall.
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List of references
AEA-Technology (1997) "Seismic Qualification of BR2 " Reference AEAT-0895.
Ph. Benoit, D. Maes, D. De Bruyn & H. Aït Abderrahim (2003) "Small- scale LBE-cooled ADS:
MYRRHA – Engineering Design Description". Proceedings of the International Workshop on
P&T and ADS development 2003. Organised by SCK•CEN, October 2003, edited by W. Haeck
et al, BLG – 959.
BR2 (1998) "Beschrijvend handboek BR2 – Hoofdstuk 14 – Afvalwaters". Internal document
SCK•CEN, Ref: SM2/O/140.
D. Coors (2003) Personal communication, 26.05.2003.
D. De Bruyn (Ed.) (2001) "La construction du second puits à Mol: conception, attribution,
exécution et enseignements". Published by EIG Euridice, Mol, 79 pg. + appendix.
W. Kröger, J. Altes, R. Bongartz, P.H. David, K.H. Escherich, K. Kasper, D. Koschmieder, K.D.
Röthig, K. Schwarzer & J. Wolters (1978) "Beurteilung der unterirdischen Errichtung von
Kernkraftwerken im Boden in einer offenen Baugrube. Abschlussbericht über eine Studie für den
Bundesminister des Innern". BMI - Kennzeichen SR 44, KFA Jülich, 194 pg..
P. Kupschus, H. Aït Abderrahim, D. De Bruyn, A.C. Rolfe, S.F. Mills & S. Sanders (2003) "The
MYRRHA remote handling scheme for maintenance and decommissioning". International
Workshop on P&T and ADS development 2003. Organised by SCK•CEN, October 2003, edited
by W. Haeck et al, BLG – 959.
M. Montone (Ed.) (1996) IFMIF – International Fusion Materials Irradiation Facility Conceptual
Design Activity, Final Report, ENEA Frascati Report RT/ERG/FUS/96/11, December 1996
M. Noël (2003) Personal communication, 22.05.2003.
C. Ramaeckers & A. Van Cotthem (2003) "Projet MYRRHA – Techniques de constructions.
Phase 1: Analyse des techniques de constructions." Belgatom Final report for SCK•CEN.
Contract CO-9003 1699.00, 75 pg. + appendices.
A.C. Rolfe, S.F. Mills & S. Sanders (2002) "MYRRHA Remote Handling Study". OTL Final
report for SCK•CEN. Contract CO-9002 1581.00, 60 pg. + appendices.
L. Wauters & N. Vandenberghe (1994) "Géologie de la Campine – Essai de synthèse". Published
by Ondraf/Niras, Brussels, 208 pg.
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List of appendices
1.
2.
3.
4.
Different zones within the MYRRHA building.
Equipment handling within the MYRRHA building.
BELGATOM study (in French)
Review by Tractebel Engineering of the D38 draft version
List of figures and drawings
1.
2.
3.
4.
5.
Reference concept of the MYRRHA building – Vertical section
"Covered building" concept – Vertical section
"Full underground " concept – Vertical section
Example of diaphragm walls in Monaco (source photo: Solétanche-Bachy)
Example of diaphragm walls for the Akashi bridge pile foundation in Japan (source photo:
Solétanche-Bachy)
6. Example of open-well caisson for Aquafin in Antwerp (source photo: Jan De Nul)
7. Example of water concrete foundation slab for the Berlin metro (source photo: Pellegrims)
8. Possible location 1 of the MYRRHA & accelerator buildings on SCK•CEN site
9. Possible location 2 of the MYRRHA & accelerator buildings on SCK•CEN site
10. Pressure levels within the MYRRHA hall
Appendix 1
Different zones within the MYRRHA building
1. Introduction
As already mentioned in the main text, the building is separated in different zones, with
different access restrictions:
•
•
•
"Red" zones: these are alpha-contaminated zones and access will be authorized uniquely
with tight suit; typical examples are the machine hall, inside the hot cells, the fuel storage
pool or the filters of the ventilation system.
"Orange " zones: alpha/gamma contamination is possibly present as well as activated
materials (but then under shielding); this is the case for the experiment rooms or the
maintenance workshops. Tight suits, masks and heavy protection will be used only when
needed by the situation.
"Yellow" zones: contamination is possib ly present, in case of malfunction of some
apparatus. No tight suits are normally required. Typical examples are the working floor of
the hot cells, the corridors or the secondary coolant rooms.
Figures 1 to 3 show the distribution of these zones within the building, taking three different
horizontal sections, respectively:
•
•
•
on the level of the assembly and MYRRHA halls (Figure 1), also called "level – 1", as this
is immediately under the ground;
one level below ("level – 2", Figure 2) where are located the active workshop and the
health physics laboratory;
the bottom level ("level – 3"; Figure 3) where are located the different waste storage and
packaging areas.
We have also taken into account the different movements that can occur within the building
(see Appendix 2) to determine which zone should become "orange" or "red", starting from the
"yellow" status. There is indeed no "white" zone (in the sense of lower possible contamination
that the "yellow" one) in the underground, the only zones that could be considered for such a
status being the offices still located, in the reference concept, at the surface.
Removeable shield wall
Maintenance/set down pit
Decontamination booth
MYRRHA
Fuel
storage machine
pond
area
area
Plant
Decontamaintenance mination
area
area
Lift shaft from surface
Air lock for goods in building
Workshops
Mock up area
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-h-cut-L-c_1.0.0
Figure 1: Assembly and Machine halls; level -1
Assembly hall
Active workshop
Air lock
Health physics
laboratory
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-h-cut-J-c_1.0.0
Figure 2: Active Workshops; level -2
Air lock from MYRRHA-hall
MLW/HLW intermediate
Drum transfer station storage
LLW handling area
Waste skip entrance
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-h-cut-G-c_1.0.0
Figure 3: Waste packaging area; level -3
Appendix 2
Equipment handling within the MYRRHA building
Page 2 of 10
1. Introduction
In this appendix we show typical equipment handling that will occur on a regular basis inside
the MYRRHA building. We consider first so-called "large elements" (LE) like the fuel rods.
LE are pieces of equipment that are either very large or heavy or need to be transported inside
a shielding container. We consider the last scenario, with an LE arriving within its shielding
container to the main entrance at the surface. Section 2 describes the sequence of equipment
handling from the entrance up to the MYRRHA machine; section 3 describes the "end of life"
sequence from the MYRRHA machine up to the waste storage area.
On the other hand, we have also "small elements" (SE) that can be brought inside the
MYRRHA building through the active workshops at the level – 2. This is in particular the
case for measuring devices or small-scale experiments to be irradiated. The sequence of SE
entrance and removal is described in sections 4 and 5 respectively.
2. LE entrance
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-fuel-in-step1_1.0.0
Step 1: LE arrives in a container from the surface at level – 1 (Mock- up hall)
Step 2: After possible further handling, the container enters the large air lock
Page 3 of 10
Step 3: The first door is closed; from now on the container is in a "red" zone
Step 4: The second door opens and the container enters the MYRRHA hall
Step 5: The remote handling devices take LE out of its shielding container and brings it where
appropriate inside or around the MYRRHA machine
Page 4 of 10
3. LE removal
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-fuel-out-step6_1.0.0
Step 6: The remote handling devices bring LE to the Pb-Bi decontamination booth
Step 7: Then through the waste skip entrance, LE is brought to level – 3
Step 8: where it passes an appropriate air lock
Page 5 of 10
Step 9: and enters the waste handling area
Step 10: After handling, the dismantled LE is put into barrels
Step 11: These barrels are kept in the intermediate storage area
Page 6 of 10
4. SE entrance
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-exp-in-step1-1.0.0
Step 1: SE enters on level – 2 in the active workshops,
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-exp-in-step2_1.0.0
Step 2: is installed on a wagon,
Step 3: that enters the small air lock,
Page 7 of 10
Step 4: then the MYRRHA hall after the second door has opened
Step 5: The remote handling devices bring then SE
Step 6: to the appropriate location inside or around the MYRRHA machine
Page 8 of 10
5. SE removal
Free_for_all\500_TVN_Fig_RH-exp-out-step7_1.0.0
Step 7: The remote handling devices take SE out of the MYRRHA machine and put it on a
wagon
Step 8: bring SE to the decontamination booth,
Step 9: then back to the wagon
Page 9 of 10
Step 10: that enters the small air lock
Step 11: where atmosphere and pressure are equilibrated
Step 12: then further to the workshops for dismantling and handling
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Step 13: waste parts are lowered down to level – 3 through an appropriate access.
Appendix 3
BELGATOM study
Analysis of the building techniques
French document,
detailed summary and outcome of this study
is reported in the main section (chapter 3)
of the report.
CEN • SCK
Projet Myrrha – techniques de construction
Phase 1
Analyse des techniques de construction
Octobre 2003
Avenue Ariane 7 - B-1200 Brussels (Belgium)
Tel : 32.2/773.75.11 - Fax : 32.2/773.79.90
Projet :
Projet Myrrha – Techniques de construction
Objet :
Phase 1 : analyse des techniques de construction
First issue
03
10
20
Rév.
jj
mm
aa
Stat.
C. Ramaeckers
A. Van Cotthem
A. Van Cotthem
Rédigé
Vérifié
Approuvé
R D C
Best.
9 4 5 0 8 5 0 0
D 5 3
Imputation
Avenue Ariane 7 - B-1200 Bruxelles
Découpe technique
N T E
Code Projet
Type
Emetteur
N 0 0 1
Numéro de suivi
0
Folio
Rév.
Ce document est la propriété de la S.A. Belgatom. Toute reproduction ou communication à des tiers en est interdite sans son autorisation
préalable
Belgatom
G:\DTR\D_53\PROJETS\94508.500\DTE\NTE\N001.doc
RAM/btd – 20.10.2003
3
TABLE DES MATIERES
1.
EXECUTIVE SUMMARY
1
2.
INTRODUCTION
2
2.1.
BUT DE L’ÉTUDE
2
2.2.
METHODOLOGIE
2
3.
HYPOTHESES ET CONTRAINTES
3
3.1.
LOCALISATION
3
3.2.
IMPOSITIONS LIEES A LA STRUCTURE
5
3.2.1.
Le hall Myrrha
6
3.2.2.
Les structures annexes
9
3.2.3.
Hypothèses considérées
9
3.2.4.
Points en suspens au stade actuel de l’étude
10
4.
LISTE DES TECHNIQUES
11
4.1.
INTRODUCTION
11
4.2.
CALCULS PRELIMINAIRES
13
4.2.1.
Calcul structurel en phase définitive
14
4.2.1.1. Stabilité des parois – structure rectangulaire
14
4.2.1.2. Stabilité du radier
16
4.2.1.3. Stabilité des parois – structure circulaire
18
4.2.2.
Flottaison
18
4.2.3.
Stabilité du fond de fouille
19
4.2.3.1. Phénomène de renard et de boulance
19
4.2.3.2. Phénomène de claquage de fond de fouille
20
4.2.4.
Effet d’un rabattement complet
20
4.2.5.
Vérification sismique
22
4.3.
DESCRIPTION DES TECHNIQUES DE REALISATION DES PAROIS
22
4.3.1.
Parois moulées
22
4.3.1.1. Description
22
4.3.1.2. Exemples d’applications
24
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
4
4.3.1.3. Limites d’application pour le projet Myrrha
29
4.3.2.
Puits havés
29
29
33
36
4.3.3.
36
Congélation
36
37
38
4.3.4.
39
Pieux sécants et tangents
39
39
40
4.3.5.
Palplanches
40
4.4.
DESCRIPTION DES TECHNIQUES DE REALISATION DU RADIER
41
4.4.1.
Radier coulé sous eau
41
41
43
49
4.4.2.
50
Rabattement et radier coulé à sec
50
51
55
4.4.3.
55
Consolidation par jet grouting
55
57
57
4.4.4.
57
Consolidation par injections
57
58
59
4.4.5.
59
Tubes poussés
59
60
62
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
5
4.4.6.
Havage
63
4.4.7.
Congélation
63
5.
APPLICATION AU PROJET MYRRHA
64
5.1.1.
Parois moulées butonnées à la base et pré-radier coulé sous eau
65
5.1.2.
Parois moulées et radier définitif coulé sous eau
65
5.1.3.
Structure par havage ouvert et radier définitif coulé sous eau
66
5.1.4.
Structure par havage ouvert et pré-radier coulé sous eau
66
6.
CONCLUSIONS
67
ANNEXES
Annexe 1 :
Structure du bâtiment Myrrha
Annexe 2 :
Prédimensionnement analytique des parois
Annexe 3 :
Prédimensionnement des parois avec Msheet
Annexe 4 :
Prédimensionnement du radier
Annexe 5 :
Prédimensionnement des parois structure circulaire
Annexe 6 :
Vérification de la flottaison
Annexe 7 :
Vérification des conditions de renard et de boulance
Annexe 8 :
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
1
1.
EXECUTIVE SUMMARY
Les récents développements de mise au point d’un réacteur nucléaire de recherche de nouvelle
génération nécessitent la construction d’un bâtiment important tant par ses dimensions que par
les techniques qu’il appelle. C’est dans ce cadre que le CEN•SCK a confié à Belgatom l’étude
des techniques de construction de ce bâtiment. La première phase de cette étude s’intéresse à
analyser de façon critique l’ensemble des techniques disponibles et à retenir les plus
appropriées.
Le bâtiment Myrrha dans sa conception actuelle (L ≈ 100 m, l ≈ 25 m et H ≈ 40 m) est
implanté dans les sables aquifères à Mol, proche de bâtiments existants, à une profondeur de
30 m ou 50 m. Ces sables de capacité portante élevée présentent la difficulté d’être saturés et
très perméables. Ce sont ces principales caractéristiques qui conditionneront le choix de
la technique de construction.
Sur base d’une vérification préliminaire de la stabilité des parois, du radier, d’un éventuel
rabattement, de la stabilité du fond de fouille en phase de construction, plusieurs techniques
ont été envisagées.
Compte tenu de la géométrie élancée de la structure, les parois latérales peuvent être
optimisées en leur donnant une forme de « H » permettant à la fois d’augmenter la rigidité de
la structure et de diminuer les volumes de béton. Pour la construction de ces parois, deux
techniques ont été retenues, à savoir les parois moulées et le havage avec excavation sous eau.
Etant donné les profondeurs à atteindre et les pressions hydrostatiques élevées, le havage sous
air comprimé a été écarté pour des raisons de sécurité.
Pour la réalisation du radier, deux options sont également maintenues : d’une part, la
réalisation d’un radier coulé sous eau et d’autre part, la réalisation d’un pré-radier sous eau
avec radier définitif coulé à sec.
Actuellement, le rabattement généralisé est écarté, car l’impact environnemental est jugé trop
important. Une nuance pourrait cependant être apportée dans la deuxième phase d’étude si la
présence d’un horizon étanche se confirme.
Bien que les techniques de la congélation, de la consolidation par injection ou jet grouting, et
des pieux sécants n’aient pas été retenues pour l’enceinte proprement dite, celles-ci pourraient
être utilisées pour des approfondissements localisés du radier au droit de la machine Myrrha.
A la fin de cette première phase d’études, nous attirons l’attention sur le fait que l’option
« enterrée » du bâtiment porte le radier à minimum 50 m de profondeur, ce qui représente la
limite de faisabilité des techniques envisagées.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
2
2.
INTRODUCTION
2.1.
BUT DE L’ÉTUDE
La présente étude s’inscrit dans le cadre du développement d’un projet pour la mise au point
d’un réacteur nucléaire de recherche de nouvelle génération. Cette machine expérimentale
(MYRRHA) nécessite la construction d’un bâtiment important tant par ses dimensions que
par les techniques qu’il appelle.
La première phase de l’étude reprise dans la présente note va s’intéresser à l’analyse critique
des différentes techniques de construction possibles pour ce bâtiment destiné à recevoir
la machine MYRRHA.
2.2.
METHODOLOGIE
La méthodologie retenue pour la phase 1 de cette étude est la suivante :
1.
kick-off meeting avec le CEN•SCK afin de fixer les objectifs ;
2.
analyse des données de base et hypothèses à prendre en compte ;
3.
analyse préliminaire des techniques de construction existantes et pouvant être
envisagées ;
4.
consultation de différents entrepreneurs couvrant les techniques envisagées pour
questions spécifiques ;
5.
version draft du rapport exposée au CEN•SCK au cours d’une réunion intermédiaire ;
6.
analyse de la version draft du rapport et commentaires du CEN•SCK;
7.
réunion finale en vue de la finalisation du rapport ;
8.
version finale du rapport.
A la suite de cette analyse critique des solutions envisageables, une seconde phase d’étude
devra approfondir les solutions retenues. Cette deuxième phase dépendra des conclusions
de la première et n’est pas fixée actuellement.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
3
3.
HYPOTHESES ET CONTRAINTES
3.1.
LOCALISATION
Les bâtiments destinés à l’expérience Myrrha sont situés sur le site du CEN•SCK, à proximité
des structures existantes. Les figures ci-dessous indiquent les deux options retenues pour
l’implantation.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
4
Les terrains au droit des futurs bâtiments Myrrha peuvent être définis de la façon suivante :
Nature des sables
qc
fs
EM
K
(MPa)
(MPa)
(MPa)
(m/s)
0m–1m
2
0.02
6.9 (1 m)
Mol
1 m – 4.5 m
10
0.07
12.2 (3 m)
Mol / Kasterlee
4.5 m – 21 m
30
0.30
19.9 (5 m)
Quaternaires
Profondeur
2.7 10-4 à 6.8 10-4
25.2 (7 m)
41.4 (9 m)
Diest argileux
21 m – 24 m
12
0.10
4 10-9 à 1 10-8
Diest faiblement
argileux
24 m - 35 m
10
0.20
1 10-5 à 4.8 10-5
qc : résistance à la pointe – fs : frottement latéral – EM : module pressiométrique – K : perméabilité
Les valeurs de qc mettent en évidence les capacités portantes élevées. Ceci est démontré
par d’autres études réalisées par Belgatom pour des tiers et par le retour d’expérience
de constructions existantes. Un approfondissement des structures ne fait qu’augmenter
la charge utile au niveau du radier. Il ne faut dès lors pas craindre de problèmes de capacité
portante.
Il faut noter que les essais disponibles à proximité de la zone atteignent une profondeur
approximative de 35 m. D’autres essais ont été réalisés à une distance plus éloignée du site
et indiquent que la couche de sable légèrement argileux de Diest s’étend jusqu’à
une profondeur approximative de 130 m. Au stade actuel des études, on extrapolera
les valeurs jusqu’à cette profondeur. Nous insistons sur la nature argileuse de la couche située
à une vingtaine de mètres de profondeur. D’après les résultats d’essais en cours dans le cadre
d’un autre projet que nous suivons, il semblerait que cette couche soit généralisée
sur l’ensemble de la région et sépare deux aquifères. Il faut noter qu’un essai de pompage
de longue durée – 3 semaines à ~ 90 m3/h dans le second aquifère - a mis en évidence
l’absence d’influence sur le premier aquifère. Ces faits devront être confirmés par des forages
et essais au droit de la future implantation des bâtiments avant d’entamer la seconde phase
d’études, car l’avantage économique pourrait ne pas être négligeable.
Sur l’ensemble de la zone concernée et bien au-delà du CEN•SCK, la nappe phréatique est
affleurante. Compte tenu de la présence, à proximité du futur bâtiment Myrrha, de nombreux
bâtiments nucléaires sensibles aux mouvements absolus et différentiels, la possibilité
d’un rabattement de la nappe phréatique pour permettre l’excavation et la construction à sec
du bâtiment est très délicate sauf confirmation de la présence d’une couche d’argile
généralisée.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
5
3.2.
IMPOSITIONS LIEES A LA STRUCTURE
La structure du bâtiment Myrrha est reprise au plan en annexe 1 qui suit les conclusions
d’une étude de robotique réalisée par OTL (UK) pour le compte du CEN•SCK. Ce bâtiment
a une longueur totale en souterrain comprise entre 87 m et 100 m, et une largeur de 24 m.
Cette structure comporte deux grandes parties distinctes, présentant des comportements
fortement différents :

le hall proprement dit non contreventé ;
les structures annexes du bâtiment présentant plusieurs planchers intermédiaires.
Deux options sont actuellement envisagées pour le bâtiment Myrrha :

La première que nous appellerons option de « surface » présente une structure affleurante
avec plusieurs bâtiments additionnels en surface. Cette structure est dite affleurante
compte tenu du fait que la dalle de toiture du bâtiment Myrrha est au niveau du terrain
naturel. Tel que prévu actuellement sur les plans guides de OTL, la base du radier est
à environ 30 m sous le niveau du terrain naturel.
Il faut noter que pour des raisons de process ou de sûreté non encore abordées à l’heure
actuelle, il est fort probable que le radier soit approfondi localement au niveau
de la machine.
Cette disposition pourrait amener à devoir prévoir une couverture en terre des
installations, pour des raisons de sécurité par rapport aux chutes d’avion.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
6

La seconde que nous appellerons option « enterrée » ne nécessite plus la mise en œuvre
d’une couverture de terre en surface compte tenu du fait que le bâtiment Myrrha et les
bâtiments complémentaires sont enterrés sous minimum 10 m de terre, à l’exception des
puits d’accès. Cette solution n’a pas été étudiée par OTL, mais est le résultat d’une étude
interne CEN•SCK, sur base de la solution de référence OTL. Tel que prévu actuellement
et compte tenu de l’épaisseur de la couverture de terre, la base du radier est à environ
50 m sous le niveau du terrain naturel.
N.B. :
3.2.1.
Il est à noter qu’aucune dimension structurelle fournie par OTL n’est basée sur des
calculs de stabilité, mais uniquement sur des besoins d’exploitation
Le hall Myrrha
Le hall Myrrha est destiné à recevoir le réacteur expérimental ainsi que tous les équipements
annexes nécessaires à la bonne conduite de l’expérience. Ce hall a une longueur et une largeur
utiles de respectivement 52 m et 14 m, pour une hauteur utile maximum de 30 m. Ces
dimensions utiles sont requises par les manutentions nécessaires en phase d’exploitation et
interdisent la mise en œuvre de butons définitifs. En cas de nouvelles discussions entre le
CEN•SCK et OTL, il serait intéressant que OTL analyse la possibilité de maintenir des butons
en phase définitive pour soulager la structure du hall non contreventé.
L’analyse des plans et des animations réalisées par OTL indique la présence de deux
« distributeurs » de chariots sur toute la hauteur du hall de part et d’autre des parois
longitudinales. Ce système de chariots mis à disposition porte localement la largeur utile
du hall à 23 m.
Le bâtiment Myrrha étant un bâtiment nucléaire, les consignes de sécurité imposent qu’il soit
en légère dépression par rapport au monde extérieur, pour éviter la contamination du monde
extérieur par des matières radioactives. Cependant, pour la bonne conduite de l’expérience
(raison propre au type de réacteur : éviter l’entrée d’O2 dans le hall MYRRHA renfermant
le réacteur), le hall devrait être en légère surpression.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
7
Sur base de ces exigences géométriques et de pression, on considérera dans l’étude une
double paroi pour le hall. Cette double paroi permettra :

d’accroître la rigidité de la structure rectangulaire élancée qui est fortement sollicitée ;
d’intégrer les « distributeurs » de chariots sans problème de stabilité ;
de satisfaire aux exigences de sûreté nucléaire.
Les calculs préliminaires (voir point 4.2 ) montreront les sollicitations élevées induites dans
les parois de la structure rectangulaire. Compte tenu des exigences géométriques, l’intrados de
la paroi intérieure et l’intrados de la paroi extérieure sont distants de 4,50 m. Ceci nous amène
à envisager une paroi constituée « d’éléments H », plus économiques, dont les dimensions en
première approche seraient de 5,50 m de « hauteur » et 5,00 m de « largeur ». Cette
proposition est indépendante des solutions techniques constructives envisagées.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
8
Le principe de la double enveloppe du hall est dès lors le suivant :
Côté en liaison avec
stuctures annexes
⇒ géométrie des
parois sera gouvernée
par les ouvertures
réalisées ultérieurement
Une telle construction ne pourra économiquement être stable sans butons intermédiaires
et provisoires pendant la construction.
La dalle de toiture finale du hall Myrrha jouera un rôle essentiel dans la stabilité définitive
de la structure de 30 m de hauteur. Son épaisseur dépendra de l’option choisie (« surface »
ou « enterrée ») et devra être coulée avant l’amenée de la machine et des équipements dans
le hall de façon à permettre le retrait des butons nécessaires en phase de travaux. Dès lors,
l’amenée de l’ensemble des équipements du hall devra se faire latéralement.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
9
3.2.2.
Les structures annexes
La bonne conduite de l’expérience Myrrha requiert de nombreux espaces annexes tels que
laboratoires, locaux destinés au personnel, vestiaires, pièces de stockage et de manutention,
entreposage, colonnes et couloirs d’accès, sas, etc.
L’ensemble de ces structures se retrouve à côté du hall proprement dit. Ces structures sont
rassemblées sur plusieurs niveaux et constituent dès lors un bâtiment enterré contreventé
présentant beaucoup moins de problèmes de stabilité que le hall.
3.2.3.
Hypothèses considérées
Compte tenu des impositions décrites ci-dessus, les hypothèses suivantes sont prises
en considération au stade actuel de l’étude :
1.
Le niveau inférieur du radier du hall est considéré au minimum à ± 30 m dans l’option
de « surface », et au minimum à ± 50 m dans l’option « enterrée ».
2.
La présence des planchers intermédiaires et autres éléments assurant la rigidité
des structures annexes nous amène à considérer au niveau de l’étude uniquement
la problématique du hall Myrrha non contreventé. La stabilité des structures annexes
relève de solutions plus « classiques ».
3.
Les nombreuses ouvertures présentes dans la paroi séparant le hall des structures annexes
ne sont pas prises en considération. Le hall est dès lors analysé comme une structure
fermée. En effet, les structures annexes participent à la stabilité de la paroi déforcée
du hall. De plus, les ouvertures seront réalisées dans la paroi de plus petite dimension,
soit la moins sollicitée.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
10
4.
Au stade de la construction, la mise en œuvre de butons et autres éléments raidisseurs est
autorisée sans restriction à l’intérieur du hall.
5.
La dalle de toiture est coulée avant le retrait des butons et amenée des équipements.
6.
La structure rectangulaire du hall présente une double enveloppe.
3.2.4.
Points en suspens au stade actuel de l’étude
Pour mener cette étude à bien suivant les conventions du contrat, certains points n’ont pas pu
être pris en considération, à savoir :
1.
la problématique de l’activation des sables : la présence du réacteur au niveau bas du hall
peut présenter un risque de par la proximité des sables ;
2.
le problème de température élevée du béton de radier : la zone « froide » du réacteur est
à une température élevée (200°C). Elle est séparée du béton par un espace annulaire
important. Cet espace aura pour but de diminuer cette température pour ne pas engendrer
de problèmes au niveau du béton. La nature du remplissage de cet espace annulaire n’est
pas encore définie (air ou eau). Une solution technologique devra être trouvée pour
ne pas porter le béton à plus de 100°C, pour un problème d’évaporation de l’eau propre
au béton ;
3.
le problème de la proximité de la nappe : la présence du réacteur au niveau bas du hall
peut présenter un risque de par la proximité de la nappe d’un point de vue température,
fuite, etc.
Il est important de noter que ces points pourraient avoir des conséquences sur les conclusions
de la présente étude même s’il n’est pas possible au stade actuel de les prendre
en considération. Il est probable que ces conséquences se limitent à un approfondissement
local du radier et un traitement localisé au niveau du radier.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
11
4.
LISTE DES TECHNIQUES
4.1.
INTRODUCTION
L’analyse de la problématique des excavations profondes, telles que celle pour le bâtiment
Myrrha, amène à devoir résoudre deux types de problèmes :
1.
d’une part, la stabilité structurelle des parois et radiers due aux grandes portées non
contreventées principalement dans le hall du bâtiment Myrrha ;
2.
d’autre part, la stabilité du fond de fouille en phase de construction.
Il est important de noter que la structure rectangulaire du bâtiment Myrrha (compte tenu
de ses dimensions) n’est pas économiquement favorable par rapport à une structure circulaire
qui permet une meilleure distribution des efforts.
La construction d’une structure périphérique circulaire entourant le hall principal nécessiterait
une révision du projet d’un point de vue exploitation et utilisation des installations pour
l’expérience Myrrha proprement dite. En effet, afin de réduire les dimensions de cette
enveloppe, l’ensemble des structures annexes devrait s’intégrer de part et d’autre du hall dans
la structure circulaire.
Structures annexes
Hall MYRRHA
Structures annexes
Si le concept ne peut être revu, la structure circulaire entourant le hall et les structures annexes
auraient des dimensions beaucoup plus grandes.
Belgatom
RAM/btd 20.10.2003
12
Hall MYRRHA Structures annexes
Une solution intermédiaire serait de réaliser une structure en « 8 ». Des références existent
(voir 4.3.1.2). Cette alternative permet de limiter les aménagements à apporter au concept
d’OTL, tout en réduisant le diamètre des structures circulaires. Le raccord des deux structures,
à l’endroit d’ouvertures importantes, sera cependant plus complexe.
Hall MYRRHA Structures annexes
Au stade actuel des études, cette révision étant lourde de conséquences (exploitation
et implantation), seule la stabilité structurelle des parois sera comparée dans les deux cas
de figure (rectangulaire et circulaire).
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Pour résoudre le problème de la stabilité des parois, plusieurs techniques sont disponibles :
1.
parois moulées
2.
puits havés
3.
puits congelés
4.
pieux sécants
5.
palplanches
Pour résoudre la stabilité du fond de fouille en phase travaux, les différentes techniques
disponibles sont :
1.
radier coulé sous eau
2.
radier coulé à sec (incluant un rabattement complet)
3.
consolidation du fond de fouille par jet grouting
4.
consolidation par injections
5.
tubes poussés
6.
havage
7.
congélation
4.2.
CALCULS PRELIMINAIRES
Dans le concept des puits et excavations profondes, les vérifications suivantes sont
nécessaires :

calcul structurel des parois et du radier ;
stabilité du fond de fouille par rapport au phénomène de claquage, au phénomène
de renard et à l’effet de vérin hydraulique du bouchon du puits ;
flottaison ;
effet d’un rabattement.
Avant de se prononcer sur la validité d’une des techniques précitées, pour les parois du hall
et le radier, il y a lieu de définir les dimensions minimales en phase définitive.
Outre ces vérifications et compte tenu de la localisation de la construction, une vérification
sismique de la structure s’imposera.
Les conséquences d’une chute d’avion devront être vérifiées en fonction des exigences
de sûreté.
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4.2.1.
Calcul structurel en phase définitive
4.2.1.1.
Stabilité des parois – structure rectangulaire
Plusieurs approches peuvent être menées au stade actuel des études, considérant différentes
hypothèses.
Le calcul analytique des efforts induits dans la paroi de la structure rectangulaire peut être
approché en considérant une poutre encastrée-appuyée ou bi-encastrée de 30 m de longueur.
Le cas de la structure « en surface » induit une charge triangulaire tandis que le cas de la
structure « enterrée » induit une charge trapézoïdale. Cette approche néglige ce qui se passe
au-dessus et en dessous du hall proprement dit.
L’encastrement en tête est garanti par la construction de la dalle de toiture définitive.
Par contre, l’encastrement au niveau du radier est plus aléatoire en raison des modes
d’exécution du radier, d’où l’analyse des deux solutions, à savoir « l’articulation »
et « l’encastrement » en pied.
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Le calcul analytique des différentes options est repris en annexe 2. Il tient compte des
pressions du terrain.
Cas de la structure « en surface » - sécurité de 1.35 sur les charges
Valeur de moments
MA (kN.m)
MB (kN.m)
Mmax (kN.m)
bi-encastrée
-18 225
-27 338
11 713
encastrée-appuyée
- 31 894
0
23 106
Cas de la structure « enterrée » - sécurité de 1.35 sur les charges
Valeur de moments
MA (kN.m)
MB (kN.m)
Mmax (kN.m)
bi-encastrée
- 48 600
- 57 713
26 723
encastrée-appuyée
- 77 538
0
48 538
Afin de confirmer l’approche analytique et d’analyser la sensibilité du calcul des efforts
induits dans la paroi, nous avons utilisé le programme Msheet (annexe 3) qui prend
en considération :

la nature des terrains ;
la fiche des parois (voir point 4.2.3) ;
la rigidité de la paroi constituée d’éléments H jusqu’au radier et de paroi plane pour
la fiche.
Approche Msheet -
sécurité de 1.35 sur les charges
Valeur de moments
MA (kN.m)
MB (kN.m)
Mmax (kN.m)
structure « en surface »
-17 797
-33 452
11 283
structure « enterrée »
-50 752
-63 484
27 898
La comparaison des résultats montre que les valeurs des moments à l’encastrement
et en travée obtenues avec Msheet sont du même ordre de grandeur que celles du cas
analytique bi-encastré, bien qu’on observe une augmentation du moment à l’encastrement
avec Msheet en raison de la modélisation explicite de l’ensemble de la paroi.
Ces efforts importants amènent à devoir considérer des parois très épaisses fortement armées.
L’hypothèse de la double paroi est dès lors un avantage car elle permet « d’évider » la section
de béton pour passer d’une section rectangulaire à une section en « H », compte tenu du fait
que les aciers travaillent aux fibres extérieures du « H ». Nous pouvons même qualifier cet
avantage de recommandation.
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L’estimation de la quantité d’acier nécessaire peut se faire en première approximation pour
une section rectangulaire de 5,50 m d’épaisseur :
Approche analytique bi-encastrée
Section d’acier (cm²)
Tête
Travée
Jonction radier
extrados
intrados
extrados
Structure « en surface »
90
60
140
Structure « enterrée »
240
130
280
Approche analytique encastrée-articulée
Tête
Travée
Jonction radier
extrados
intrados
extrados
160
115
-
380
230
-
Tête
Travée
Jonction radier
Sécurité de 1.35 sur les charges
extrados
intrados
extrados
90
55
165
250
140
310
Et suivant l’approche Msheet :
Cette approche conduit à des valeurs comprises entre 50 et 300 kg /m³ de « parois » intérieure
et extérieure.
Le cas de 300 kg/m3 correspond à la quantité d’acier au niveau de la toiture pour une paroi
articulée au niveau du radier. Les quantités d’acier et les épaisseurs de parois pourront être
optimisées au stade des études ultérieures. L’approche démontre qu’il n’y aura pas
de problème de faisabilité.
4.2.1.2.
Stabilité du radier
L’épaisseur nécessaire pour le radier peut être estimée en considérant une dalle simplement
appuyée ou encastrée sur ses 4 côtés (fonction de la technique) et devant reprendre la
sous-pression d’eau à la profondeur requise.
Les dimensions libres à considérer au stade d’un prédimensionnement pour le radier sont
déterminées par les dimensions utiles du hall proprement dit, soit 14 m x 52 m. C’est-à-dire
que l’appui considéré correspond à la paroi intérieure du hall.
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Cas de la structure « en surface » - sécurité de 1.35 sur les charges
Moment maximum
articulé
encastré
M centre (kN.m)
10 584
3 528
M bord (kN.m)
-
7 056
Cas de la structure « enterrée » - sécurité de 1.35 sur les charges
Moment maximum
articulé
encastré
M centre (kN.m)
17 199
5 733
M bord (kN.m)
-
11 466
Sur base de ces résultats (annexe 4) et pour des densités d’acier raisonnables, on prend
l’option d’un radier de 4 m d’épaisseur pour la structure « en surface » et de 5 m d’épaisseur
pour la structure « enterrée ».
Il faut noter qu’il sera plus aisé de réaliser un radier appuyé plutôt qu’un radier encastré.
En effet, les sections d’acier à mettre en œuvre au centre du radier sont du côté de la fibre
tendue soit en partie supérieure, plus facilement accessible que les aciers destinés
à l’encastrement qui doivent dès lors être solidarisés de façon à réaliser un encastrement
parfait avec les parois. Cet encastrement sera plus compliqué dans la mesure où les aciers sont
à placer dans la partie inférieure du radier.
Notons également que les efforts seront réduits de par le poids propre du radier qui n’est pas
négligeable compte tenu de l’épaisseur (4 m de béton équivalent à une colonne de 10 m
d’eau !).
La géométrie du radier proposée par OTL varie de 1,50 m à 12 m. Seul un calcul 3D
permettra d’optimiser les quantités d’acier, mais l’approche démontre qu’il n’y aura aucun
problème de faisabilité.
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4.2.1.3.
Stabilité des parois – structure circulaire
L’épaisseur requise par les parois d’une structure circulaire est essentiellement conditionnée
par l’effort de compression résultant des charges géostatiques.
Pour un béton C30/37, la contrainte de compression maximum admissible est :
σadm = 30 * 0.85 / 1.5 = 17 MPa.
L’effort de compression dans l’anneau de la structure est : N = p . R
Suivant l’option retenue, surface ou enterrée, et diamètre, on a (voir annexe 5) :
Épaisseur parois (m)
Diamètre 52 m
Diamètre 100 m
0,90
1,90
1,50
3,10
A ce stade de l’étude, on observe la grande diminution de section de la paroi en raison de la
forme circulaire.
4.2.2.
Flottaison
La vérification de la flottaison consiste à considérer :
1.
les effets stabilisateurs :
- poids propre de la structure ;
- frottement latéral au contact structure / sol ;
2.
les effets induisant la flottaison : - poussée d’Archimède.
Efforts stabilisant > sous-pression
Deux approches ont été envisagées dans la phase la plus critique, c’est-à-dire, sans
équipements, sans toiture, sans couverture et avec un radier de 4 ou 5 m (voir annexe 6). Elles
aboutissent aux sécurités suivantes :
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Sécurité par rapport
à la flottaison
Approche suivant
DTU
Approche
belge
1,38
1,09
1,31
1,02
La sécurité vis-à-vis de la flottaison est dès lors assurée.
4.2.3.
Stabilité du fond de fouille
La stabilité du fond de fouille se vérifie d’une part, vis-à-vis du phénomène de renard
et de boulance en cas de vidange complète de la structure et d’autre part, vis-à-vis
du phénomène de claquage du fond de fouille.
4.2.3.1.
Phénomène de renard et de boulance
La vérification de ces phénomènes est reprise en annexe 7. L’équilibre doit être respecté sous
le niveau de la fiche pour empêcher ces phénomènes.
La fiche nécessaire pour les parois de la structure est la suivante :
Fiche nécessaire
17 m
27 m
Ajoutées à la profondeur requise par les structures, ces fiches induisent des profondeurs
compatibles avec la technique des parois moulées.
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4.2.3.2.
Phénomène de claquage de fond de fouille
Ce phénomène sera vérifié à un stade ultérieur des études en fonction de la technique retenue
car il dépend fortement du type de solution. Cette vérification est dès lors prématurée, mais ne
remettra pas en cause la faisabilité du projet.
4.2.4.
Dans le cas d’un rabattement complet à l’intérieur de la fouille, il y a lieu de vérifier :

d’une part, le débit de fuite afin de vérifier la capacité d’évacuation au niveau du chantier ;
d’autre part, l’influence du cône de rabattement et une éventuelle réalimentation de nappe,
pour juger de l’influence éventuelle sur les bâtiments voisins et, de ce fait, éviter
les tassements.
Le modèle d’écoulement repris en annexe 8 permet d’estimer la courbe de rabattement
en fonction du débit pompé. La modélisation tient compte d’une enceinte circulaire dont
la surface équivaut à celle de l’enceinte rectangulaire extérieure du hall.
Les hypothèses de perméabilités des terrains prises en compte dans la modélisation sont :

de 0 à 25 m de profondeur : 6.8 * 10-4 m/s ;
au-delà de 25 m de profondeur : 4.8 * 10-5 m/s.
La couche plus argileuse n’a pas été considérée afin de se placer dans le cas le plus
défavorable d’une interaction des deux aquifères. Ceci nous permet d’estimer le débit
et le rabattement maximum auxquels on peut s’attendre. La présence effective de cette couche
et l’indépendance des deux aquifères pourraient d’une part, conduire à un rabattement
insignifiant en surface et d’autre part, à une réduction du débit à évacuer. Cependant,
la réduction de débit pourrait ne pas être significative compte tenu du fait que la différence
de niveau entre les deux aquifères n’est que de 2 à 3 m.
L’exemple ci-dessous représente une excavation et un rabattement à 55 m de profondeur avec
une paroi dont la fiche est à 102 m de profondeur.
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21
L’estimation est fonction de la fiche des parois, du niveau de rabattement à l’intérieur
de l’enceinte, comme le montrent les tableaux suivants :
Cas « surface »
Excavation et pompes à 34 m
Base fiche
Eau fouille
Débit pompé
Rabattement max
Rabattement à 100 m
51 m
23 m
452 m3/h
60 cm
35 cm
35 m
679 m3/h
90 cm
50 cm
20 m
226 m3/h
25 cm
15 cm
30 m
339 m3/h
35 cm
20 cm
34 m
407 m3/h
40 cm
25 cm
75 m
Cas « enterré »
Excavation et pompes à 55 m
Base fiche
Eau fouille
Débit pompé
Rabattement max
Rabattement à 100 m
82 m
32 m
680 m3/h
50 cm
30 cm
55 m
1170 m3/h
102 m
15 m
30 m
55 m
85 cm
55 cm
3
15 cm
10 cm
3
25 cm
17 cm
3
50 cm
32 cm
225 m /h
452 m /h
860 m /h
Il y aura lieu de valider les valeurs de perméabilité au droit de l’excavation de façon à affiner
l’estimation des valeurs de débit.
Compte tenu du fait que ces valeurs sont des valeurs maximum, on peut cependant déjà
conclure que dans le cas de la structure « en surface », les débits pourront être maîtrisés avec
un rabattement maîtrisable par une réalimentation de nappe, en cas d’interconnexion des deux
aquifères. Par contre, dans le cas de la structure « enterrée », le débit nécessaire pour
un rabattement complet devient très important pour une profondeur de fiche raisonnable.
Le choix de réaliser le rabattement sera fonction de la technique et résultera d’une analyse
économique entre « rabattement – réalimentation – béton coulé à sec » et « béton coulé sous
eau ».
Il faut garder à l’esprit que les dimensions de la fouille à réaliser nécessiteront d’évacuer des
volumes d’eau importants, par exemple :

cas « surface » : volume pour le hall ≈ 55 000 m3 auquel il faut ajouter le pompage pour
couler le radier à sec, soit ≈ 679 m3/h pendant 1 mois ≈ 490 000 m3 ;
cas « enterré » : volume pour le hall ≈ 90 000 m3 auquel il faut ajouter le pompage pour
couler le radier à sec, soit ≈ 1 170 m3/h pendant 1 mois ≈ 840 000 m3.
D’un point de vue environnemental, ce pompage devrait être avalisé.
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22
4.2.5.
Vérification sismique
La durée de vie de la structure Myrrha peut être comparée à celle du bâtiment B 36
(30-40 ans). On peut donc envisager de vérifier la structure pour un séisme comparable,
à savoir une accélération horizontale (SSE) de 0.10 g à la surface du sol.
Cette vérification ne pourra se faire qu’à un stade ultérieur des études, mais ne remet pas
en cause la faisabilité du projet.
Le calcul sismique risque cependant d’augmenter davantage la densité d’acier de la structure.
4.3.
DESCRIPTION DES TECHNIQUES DE REALISATION DES PAROIS
Les différentes techniques listées au point 4.1 sont décrites et analysées ci-dessous.
4.3.1.
Parois moulées
4.3.1.1.
Description
La technique des parois moulées est une technique particulièrement adaptée pour réaliser des
fouilles de grandes dimensions
Divers outillages sont utilisés s m à 1,52 m : les plus usuelles sont 0,62 m et 0,82 m.
Les profondeurs de 35 à 50 m sont courantes. Une benne à câbles peut descendre à 65 m
maximum, l'hydrofraise à 150 m. On opère généralement par panneaux juxtaposés : primaires
un sur deux, secondaires en intermédiaires. Les dimensions des panneaux peuvent varier
de 3 à 20 m. Les ouvertures usuelles sont voisines de 5 à 6 m. En tracé en plan, les formes
les plus simples sont les meilleures pour la qualité du travail fini.
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23
Dans le cas de l’utilisation de benne à câbles des joints d’étanchéité sont mis en œuvre. Avec
l'hydrofraise, on peut mordre le béton des panneaux primaires lors de la perforation des
secondaires, ce qui supprime le système de joint classique.
Divers contrôles sont effectués au cours des opérations successives :

forage → qualité de la boue, verticalité et épaisseur de la saignée ;
mise en place des armatures + bétonnage → qualité du béton, volume à chaque niveau ;
joints → verticalité et position des éléments joints ;
continuité → emboîtement des panneaux primaires et secondaires.
Afin de raidir les parois moulées, on peut adjoindre des barrettes. Il s'agit au départ d'un type
de pieux forés et moulés dont les caractères distinctifs concernent la forme et le mode
de forage.
On utilise des outillages de forage à benne ou de type Hydrofraise dont les dimensions
constituent la base de celles des appuis. Le mode d’exécution comprend classiquement les
trois étapes : forage, mise en place des armatures et bétonnage.
Les appuis les plus simples sont réalisés avec un seul coup de benne (ou Hydrofraise)
"standard". Les dimensions sont alors :

largeur : 0,52 - 0,62 - 1,02 - 1,22 - 1,52 m
ouverture : 1,80 - 2,20 - 2,70 - 3,00 m
A partir de ces bases, on peut concevoir des appuis plus grands ou plus rigides : barres, croix,
H, T, etc.
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24
4.3.1.2.
1.
Exemples d’applications
Cas d’un projet à Monaco combinant parois moulées renforcées par des barrettes, formant
un mur en T (source Soletanche-Bachy). La paroi moulée atteint une profondeur
maximale de 34 m et est réalisée à l’hydrofraise.
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25
2.
Projet « Blackpool » comportant deux bassins circulaires réalisés en parois moulées
de 1,5 m d’épaisseur (source Soletanche-Bachy). La paroi moulée atteint une profondeur
maximale de 46 m et est réalisée à l’hydrofraise. Le radier de 36 m de diamètre a une
épaisseur de 4 m.
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3.
Projet de traversée de la Meuse et du Canal Albert comportant 4 puits circulaires réalisés
en parois moulées. (source Tractebel – Distrigaz -Soletanche-Bachy). La paroi moulée
de 80 cm du puits immergé atteint une profondeur maximale de 35 m et est réalisée
à l’hydrofraise. Le radier de 17 m de diamètre a une épaisseur de 1,7 m.
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27
4.
Projet du « Pont d'Akashi » au Japon. L'ouvrage comporte 2 piles en mer et 2 culées de
rive (source Soletanche-Bachy). La construction d'une paroi circulaire en paroi moulée
servira de culée de rive et de massif d'ancrage des câbles du pont. Son diamètre intérieur
est de 85 m, l'épaisseur de la paroi est de 2,20 m et sa profondeur de 75,50 m.
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28
5.
Projet au Caire avec percement de deux tunnels routiers, nécessitant la réalisation
de parois moulées de 0,6 à 1,5 m d’épaisseur (source Soletanche-Bachy). La paroi
moulée atteint une profondeur maximale de 82,5 m et est réalisée à l’hydrofraise.
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29
4.3.1.3.
Limites d’application pour le projet Myrrha
Dans le cadre du projet Myrrha, la réalisation de parois moulées semble bien adaptée pour
les raisons suivantes :
1.
grandes profondeurs à atteindre, ce qui est possible en utilisant l’hydrofraise afin
de garantir une tolérance de verticalité pouvant atteindre 0,3 % ;
2.
étanchéité de l’enceinte extérieure garantie avec l’hydrofraise qui recoupe le panneau
adjacent, ce qui garantit la qualité et l’étanchéité du joint ;
3.
flexibilité de la méthode.
4.3.2.
Puits havés
4.3.2.1.
Description
La technique du havage est utilisée fréquemment dans le cas de structures enterrées dans des
zones aquifères ne pouvant être rabattues. Le principe des structures havées réside dans
la construction de la structure au niveau du terrain naturel et dans la descente de celle-ci sous
son poids propre au fur et à mesure de l’excavation sous la structure. Cette technique requiert
la construction d’une trousse coupante sous la périphérie de la structure. La structure
est coulée en surface au fur et à mesure de l’approfondissement.
Deux options peuvent être envisagées :

soit une structure fermée nécessitant une excavation en chambre pressurisée ;
soit une structure ouverte en radier avec excavation classique.
Dans le cas d’un caisson ouvert, les parois extérieures de la structure sont construites
à la surface et la structure est descendue au fur et à mesure de l’excavation. En fonction
du niveau de la nappe, l’excavation se fera à sec ou sous eau. Dans le cas d’une structure sous
eau et compte tenu de l’absence de fiche sous la structure, le radier devra être bétonné sous
eau. Les schémas ci-dessous illustrent la technique (source : Jan De Nul).
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30
Outre les couteaux en périphérie de la structure, des couteaux sous une paroi intermédiaire
pourront être nécessaires en fonction des dimensions. Malgré la présence d’une couche
de bentonite entre la structure et le terrain, il est parfois nécessaire de lester la structure
afin de faciliter sa descente. De plus, pour des structures élancées, des parois permettant
de raidir la structure seront nécessaires en phase de descente.
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31
Le radier coulé sous eau (voir point 4.4.1) reprendra la sous-pression d’eau en phase
provisoire ou définitive. Une forme incurvée permettra une meilleure répartition des efforts ;
de plus, les faces inclinées des couteaux permettent de réduire l’épaisseur.
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32
Dans le cas d’un caisson fermé, le radier et l’ensemble de la structure (parois extérieures et
structures internes) sont construits à la surface. L’excavation et la descente de la structure
nécessitent alors le travail à l’abri d’une chambre pressurisée sous le radier dont l’accès se fait
via un sas. Le travail sous air comprimé est soumis à des réglementations très strictes de durée
de travail en fonction de la pression. Les schémas ci-dessous illustrent la technique (source :
revue Cement 1986 nr.2)
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33
Le grand avantage de cette technique réside dans la qualité élevée des bétons coulés
en surface hors nappe. Des dimensions importantes peuvent être atteintes dans de telles
structures, mais la limitation peut venir de la surpression requise dans la chambre compte tenu
de la profondeur à atteindre et du niveau de la nappe.
4.3.2.2.
1.
Cas du projet du Pont Erasmus à Rotterdam nécessitant la construction par havage
d’un caisson fermé de dimensions importantes pour la pile n°3 du pont (source CFE).
Le havage de ce caisson à 24 m sous eau présentait des dimensions de 51 m de longueur,
sur 14 m de largeur et 16,5 m de hauteur.
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34
2.
Chantier de l'écluse de Helmond en Hollande par havage en caisson fermé (source CFE).
La photo ci-dessous représente le bétonnage de la structure avant havage.
Les photos ci-dessous représentent le sas d’accès à la chambre pressurisée
La photo ci-dessous représente la chambre pressurisée au niveau de la trousse coupante.
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35
3.
Réalisation de structures havées pour le compte d’Aquafin à Anvers (source Jan De Nul).
La structure ci-dessous est une structure rectangulaire de 20 m sur 14 m avec raidisseur
intermédiaire, réalisée par havage ouvert et radier sous eau coulé à 21 m de profondeur.
La structure ci-dessous est, quant à elle, une structure circulaire réalisée par havage
ouvert et on distingue bien la trousse coupante.
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36
4.3.2.3.
Dans le cadre du projet Myrrha, l’utilisation de la technique du havage présente les limites
suivantes :
1.
Les dimensions de la structure havée doivent être limitées à une longueur approximative
de 50 m. Il faudrait donc procéder en deux phases, à savoir la construction du hall
proprement dite, suivie de la construction des structures annexes.
2.
Dans le cas de la structure « enterrée », compte tenu de la profondeur à atteindre
et du niveau de la nappe (en surface), la technique du havage en caisson fermé est
à exclure. En effet, la surpression requise dans la chambre serait beaucoup trop élevée
(minimum 5 bars à 50 m) sans rabattement de nappe.
3.
Dans le cas de la structure « en surface », compte tenu de la profondeur à atteindre
et du niveau de la nappe (en surface), la technique du havage en caisson fermé peut être
mise en oeuvre. En effet, la surpression requise dans la chambre serait de 3 à 3,5 bars.
Cette valeur est autorisée, mais il faut malgré tout avoir à l’esprit qu’on atteint les limites
de la technique et qu’à cette pression, la durée de travail autorisée est de 3 heures, ce qui
augmente fortement le nombre d’équipes de travail.
4.
Dans le cas de la technique de havage avec caisson ouvert, l’excavation devra se faire
sous eau comme dans le cas de la technique des parois moulées et les profondeurs des
solutions « en surface » ou « enterrée » pourront être atteintes.
5.
Dans le cas d’une structure sous eau et compte tenu de l’absence de fiche sous
la structure, le radier définitif ou le pré-radier devra être bétonné sous eau.
6.
La technique du havage permet de garantir une tolérance de verticalité pouvant atteindre
0,5 %. Une réserve devra être prise au niveau des raccords des deux structures.
7.
L’étanchéité de l’enceinte extérieure est garantie et la qualité du béton de la structure est
optimum compte tenu du bétonnage en surface. De plus, le ferraillage sera facilité.
8.
Il est important d’assurer la rigidité de la structure avant havage. Il sera dès lors
nécessaire de construire des éléments raidisseurs entre les parois latérales du hall.
4.3.3.
Congélation
4.3.3.1.
Description
La congélation des terrains aquifères est une méthode éprouvée de longue date. Elle a été
utilisée récemment sur le site du CEN•SCK pour la construction du second puits d’accès
au laboratoire souterrain afin de traverser la couche de 180 m de sables aquifères.
Cette technique consiste à créer une paroi de terrains congelés garantissant l’étanchéité
et la résistance requises. Le schéma de principe du procédé est le suivant :

exécution de sondages encaissant l'ouvrage à construire, sur la hauteur des couches
aquifères, espacement des forages voisin de 1 m ;
mise en place de tubes réfrigérants (sondes) : fermés à leur base, ils contiennent des tubes
plus petits ouverts à leur partie inférieure ;
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37

mise en circulation d'un liquide à basse température arrivant par le tube intérieur
et remontant dans l'espace annulaire en empruntant la chaleur au terrain encaissant ;
congélation progressive des couches autour des sondes, obtention d'une paroi de terrain
gelé dur et imperméable ;
maintien de cette paroi durant les travaux de génie civil.
4.3.3.2.
1.
La traversée des 180 m de sables aquifères pour la construction du second puits à Mol
(source Euridice – Belgatom) a été réalisée par congélation comme représentée sur
les photos ci-dessous.
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4.3.3.3.
Bien qu’éprouvée, cette technique est difficilement envisageable compte tenu des dimensions
de la structure à réaliser pour les raisons suivantes :
1.
les limites de résistance de la paroi congelée pour les profondeurs requises nécessiteraient
la réalisation d’une enceinte circulaire de 100 m de diamètre ou deux enceintes circulaires
sécantes ;
2.
la fermeture de l’enceinte au niveau du radier est délicate compte tenu des dimensions,
de la sous-pression et de l’absence d’horizon étanche à proximité.
Ces raisons apparaissent suffisantes pour écarter la solution congélation pour la construction
de l’ensemble de la structure. Cependant, il ne faut pas écarter l’utilisation de la congélation
pour un approfondissement local de la structure, pour des extensions ou des liaisons entre
deux parties du bâtiment. Pour rappel, la liaison entre les deux bassins du projet Blackpool
(point 4.3.1.2) a été réalisée par congélation.
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4.3.4.
Pieux sécants et tangents
4.3.4.1.
Description
La technique des pieux sécants permet de réaliser un soutènement continu tel que représenté
ci-dessous.
4.3.4.2.
La figure suivante (source Solétanche-Bachy) illustre un exemple de puits par pieux sécants.
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40
Les figures ci-dessous représentent la tête du Tunnel de Soumagne côté Vaux-sousChèvremont réalisée en pieux sécants (source Tuc Rail - Tractebel).
4.3.4.3.
Bien qu’éprouvée, cette technique est difficilement envisageable essentiellement en raison
de problèmes de déviation possible ne garantissant pas la fermeture de l’enceinte et rendant
la solution peu sûre d’un point de vue étanchéité.
Cette raison apparaît suffisante pour écarter la solution pieux sécants ou tangents pour
l’ensemble de la structure. Elle pourrait cependant être utilisée pour un approfondissement
local.
4.3.5.
Palplanches
Cette solution est exclue dès le départ compte tenu des efforts à reprendre.
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4.4.
DESCRIPTION DES TECHNIQUES DE REALISATION DU RADIER
Les différentes techniques listées au point 4.1 sont décrites et analysées ci-dessous.
4.4.1.
Radier coulé sous eau
4.4.1.1.
Description
La technique du béton coulé sous eau est une technique utilisée fréquemment dans les grandes
excavations en terrains aquifères. Le principe de la technique est représenté sur le schéma
ci-dessous. Une pompe à béton injecte du béton en continu dans un entonnoir relié à un tube
plongeur sur flotteur. Le tube plongeur descend au niveau de l’excavation afin de créer
un front de béton frais. Lorsque l’épaisseur requise de béton est atteinte, le tube se déplace
avec le front de béton frais afin de couler l’entièreté de la dalle. Le bétonnage sous eau n’est
pas incompatible avec un butonnage qui sera indispensable dans le projet Myrrha, comme
c’est illustré au point suivant.
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42
Le béton immergé peut être armé ou non armé. Les cages d’armatures sont préfabriquées
et descendues dans la fouille. Les liaisons entre cages sont optimisées afin de limiter
les interventions des plongeurs, dont la durée est fonction de la profondeur d’intervention.
Par exemple, pour une intervention à 30 m de profondeur, la durée sans palier
de décompression est de 30 minutes. Pour des profondeurs plus importantes, des paliers
de décompression sont nécessaires. Le schéma ci-dessous montre un exemple de béton
immergé armé.
Afin de réduire l’épaisseur de béton immergé et de limiter la quantité d’armatures à placer
sous eau, il est possible d’ancrer un pré-radier au moyen de barrettes, le radier définitif étant
coulé à sec ultérieurement après ferraillage.
Le pré-radier peut également être un béton de masse coulé au niveau de la trousse coupante
dans le cas d’un havage ouvert et présenter une forme contre-voûtée.
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Le soin de la liaison entre le radier et les parois peut être garanti par l’utilisation
d’un manchon « Lenton » protégé dans des boîtes métalliques contenant de la frigolite.
Une fois le terrassement terminé, le couvercle de la boîte métallique et la frigolite sont
expulsés sous air comprimé et le manchon est mis à nu. L’intervention des plongeurs peut
alors démarrer.
4.4.1.2.
1.
Métro de Berlin : nombreuses fouilles ayant nécessité des volumes importants de béton
immergé sur des surfaces allant jusqu’à 1,3 ha, à 18 m de profondeur avec 1,8 m
d’épaisseur (source Pellegrims).
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44
Certaines des fouilles du métro de Berlin présentent des radiers ancrés, comme représentés
ci-dessous.
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2.
Béton sous eau avec butonnage (source Pellegrims) :
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46
3.
Béton immergé pour une des piles du pont Erasmus (source Pellegrims)
4.
Puits immergé de Lixhe (source Tractebel – Distrigaz – Solétanche-Bachy)
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47
5.
Ferraillage du radier du puits immergé de 20 m de diamètre en Orégon (source
Pellegrims). L’épaisseur du radier immergé est de 3,5 m et sa profondeur atteint 42 m :
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48
6.
Les accès au tunnel du Groene Hart ont été réalisés par parois moulées avec radier coulé
sous eau et ancré soit par pieux préfabriqués, soit par barrettes atteignant 55 m
de profondeur (source Bouygues – Pellegrims).
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4.4.1.3.
Dans le cadre du projet Myrrha, la mise en œuvre de béton immergé semble bien adaptée pour
les raisons suivantes :
1.
s’il est soigné, le bétonnage sous eau offre de bonnes garanties de qualité de béton ;
2.
la présence des butons en phase de construction de la structure complique le bétonnage
sous eau, mais ne le rend pas impossible ;
3.
la réalisation d’un radier appuyé est possible et sera décrite au point 5 ;
4.
la technique ne limite pas les volumes de béton à mettre en œuvre ;
5.
la technique permet de raccourcir la fiche des parois moulées ;
6.
en cas de nécessité, il est possible de réaliser un pré-radier coulé sous eau ancré
ou contre-voûté, permettant de couler le radier à sec ; ce qui en soi n’est pas
une exigence, mais qui garantit une certaine souplesse de la méthode au cours
de l’évolution du projet (par exemple : ferraillage complexe lié à la structure du massif
du réacteur devant être réalisé à sec).
La réalisation d’un radier coulé sous eau, est dès lors une technique bien adaptée au projet
Myrrha. Elle nécessite cependant une grande attention de l’étude et de la planification
de l’exécution qui conditionne le succès de la mise en œuvre.
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4.4.2.
Rabattement et radier coulé à sec
4.4.2.1.
Description
La technique du rabattement est une technique couramment utilisée dans le domaine du génie
civil. Elle consiste à abaisser la surface libre de la nappe en pompant l’eau. Le pompage est
effectué dans des puits filtrants qui nécessitent l’exécution d’un forage crépiné.
Les limites considérées généralement pour les rabattements, sont fonction :

d’une perméabilité K comprise entre 10-1 et 10-6 m/s;
d’un terrain assez homogène ;
d’un rabattement total inférieur à 30 m ;
d’un débit global inférieur à 5 000 m³/h ;
Dans les sables aquifères de perméabilité relativement élevée, compte tenu de la section
à excaver, l’influence du cône de rabattement sera importante, ce qui pourra engendrer
des tassements des structures sensibles avoisinantes. Un rabattement généralisé
et une excavation à sec, sans écran étanche et sans réalimentation, impliqueraient un rayon
d’influence beaucoup trop important compte tenu de la profondeur à atteindre. Cette
technique est dès lors exclue.
Le cas d’un rabattement au sein d’une enceinte étanche a été estimé au point 4.2.4. Cette
estimation a montré qu’il était possible de limiter le rabattement en dehors de l’enceinte à des
valeurs inférieures au mètre.
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Moyennant une réalimentation, le rabattement en dehors de l’enceinte pourrait même encore
être réduit. Cependant, la profondeur du rabattement atteint les limites d’application
de la technique et les débits à pomper seront malgré tout importants surtout dans le cas
de la structure « enterrée ». La présence des pompes dans la fouille et la nécessité
de réalimenter compte tenu des débits seront une entrave conséquente pour un bétonnage
et un ferraillage de qualité du radier.
Comme exposé précédemment, la réalisation d’un pré-radier ancré coulé sous eau permettrait
un rabattement total et la construction du radier définitif coulé à sec. Ce pré-radier reprendrait
en phase provisoire la sous-pression et pourrait être désolidarisé du radier définitif pour éviter
le chemin préférentiel de l’eau via les ancrages. A long terme, le radier définitif armé et coulé
à sec reprendrait la sous-pression.
Dans le cas d’un radier définitif coulé à sec, il est possible de réaliser des « corbeaux »
(consoles inversées) pour permettre d’appuyer le radier et ainsi réduire les armatures en fibre
inférieure sur la périphérie (voir ci-dessous l’exemple du métro du Caire).
4.4.2.2.
1.
Tout au long des travaux du Quartier Léopold (Parlement européen), la zone concernée
a été rabattue et réalimentée. Le schéma ci-dessous reprend le principe des puits filtrants
et des puits de réalimentation utilisés pendant les travaux du poste de la rue Wiertz.
La fouille de 35 m sur 15 m était équipée de 9 puits filtrants évacuant chacun ≈ 10 m3/h.
Le débit total à évacuer était dès lors approximativement de 90 m3/h (source Smet –
Tractebel).
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2.
Ferraillage à sec du radier drainant d’un des puits du Projet de traversée de la Meuse
et du Canal Albert à Lixhe (source Tractebel – Distrigaz - Soletanche-Bachy).
3.
Ferraillage du radier du tunnel de Soumagne (source Tuc Rail - Tractebel).
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4.
Réalisation de « corbeaux » et ferraillage dans le cadre du projet du métro du Caire
(source Solétanche-Bachy).
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5.
Réalisation d’un projet de tank de stockage et de bâtiments destinés au process à Taïwan
(source TGE – Tractebel).
Ci-dessous la construction d’un bâtiment destiné au process, avec puits de pompage dans
la fouille.
Ferraillage et bétonnage à sec du radier du tank de stockage
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55
6.
Ferraillage à sec du radier d’une structure en tranchée (source Jan De Nul)
4.4.2.3.
L’exécution d’un rabattement dans le cadre du projet Myrrha présente les limites suivantes :
1.
Obligation de rabattre au sein d’une enceinte étanche dont la fiche doit être très
importante pour limiter les débits.
2.
Encombrement très important de la fouille par les nombreuses pompes compte tenu
des débits à évacuer, ce qui ne permet pas de réaliser le radier dans de bonnes conditions.
En effet, les puits devront être équipés de sas et créeront des connexions directes avec
la nappe.
3.
Nécessité probable de réalimenter pour des raisons environnementales.
Le rabattement n’est dès lors pas retenu pour la réalisation d’un radier coulé à sec, mais
ces limites pourraient être levées par les résultats des forages à réaliser. Dans l’affirmative,
si le rabattement s’avérait possible, le ferraillage et le bétonnage à sec sont bien entendu
avantageux.
4.4.3.
Consolidation par jet grouting
4.4.3.1.
Description
On désigne par jet grouting un procédé de construction utilisant un jet de fluide à haute
énergie cinétique pour déstructurer un terrain et le mélanger avec un coulis liquide.
Il ne s'agit donc pas exactement d'une technique d'injection, mais plutôt d'un procédé
de mélange hydrodynamique terrain-coulis visant à former un « béton de sol » in situ dans
la masse du terrain.
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Différentes méthodes de jet grouting (jet simple, jet double, jet triple) sont utilisées
en fonction de l'énergie hydrodynamique nécessaire pour détruire et mélanger le terrain avec
un coulis liquide. Elles s'appliquent aussi bien à des traitements de masse qu’à des traitements
linéaires ou des inclusions, dans des sols meubles facilement ou difficilement injectables.
Le traitement se déroule généralement ainsi :

réalisation d'un forage de petit diamètre (100 à 200 mm) sur la hauteur à traiter,
dans ce forage, mise en vitesse d'un jet de fluide envoyé par une pompe à haute pression
(plusieurs dizaines de MPa) à travers une ou plusieurs buses de petit diamètre (1 à 10 mm)
placées sur un « moniteur » au pied d'un train de tiges de diamètre 70 à 100 mm,
remontée lente des tiges, avec mise en rotation pour former une colonne de béton de sol.
Pendant la phase jet, les volumes en excès du mélange sol-ciment (appelés «rejets»)
doivent ressortir librement en tête de forage (sinon, l'excès de matériaux risque
de «claquer» le terrain et de créer des désordres au voisinage) et être évacués du chantier
au fur et à mesure.
Le résultat (diamètre, composition, résistance des colonnes) dépend des paramètres
du traitement (vitesses de translation et de rotation des tiges, pressions et débit des fluides
utilisés, dosage du coulis), des caractéristiques du terrain en place (nature, granulométrie,
composition, compacité) et de la méthode employée (simple jet, double jet ou triple jet).
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4.4.3.2.
1.
Le quai Carnot au Port de Concarneau : confortement de mur de quai par colonnes de jet
grouting armées (sources Solétanche-Bachy).
4.4.3.3.
Compte tenu des profondeurs à atteindre pour le projet Myrrha, le risque de déviation lors des
forages de jet grouting n’est pas négligeable. Ces déviations seraient alors à l’origine
de problèmes de venues d’eau importantes dans la fouille. La consolidation par jet grouting
n’est dès lors pas retenue. Elle pourrait cependant être utilisée localement pour des
approfondissements du radier.
4.4.4.
Consolidation par injections
4.4.4.1.
Description
L'injection consiste à faire pénétrer dans un milieu plus ou moins perméable, un matériau
pompable appelé coulis d'injection.
L'injection a pour but d'améliorer les caractéristiques du milieu traité ; il s'agit le plus souvent
d'en améliorer la résistance mécanique et/ou d'en réduire la perméabilité.
Les coulis d'injection sont généralement des liquides ou des suspensions caractérisés par leur
densité, leur viscosité, leur rigidité, et qui durcissent au bout d'un temps appelé « temps
de prise ».
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Si le coulis pénètre dans un milieu en poussant l'eau qui emplit les vides naturels
intergranulaires ou les fissures, sans modification du volume de ce milieu injecté, il s'agit
d'une injection d'imprégnation.
Si le coulis pénètre en ouvrant des fissures dans le milieu injecté, donc avec une expansion
du milieu (pouvant alors remonter en surface et provoquer des soulèvements), on dit alors
qu'il s'agit d'une fracturation.
Lors de l'établissement de programmes d'injection, les forages et les points d'injection sont
généralement représentés graphiquement sous forme d'auréoles.
Les coulis d'injection sont classés en deux catégories principales :

les suspensions, instables (ciment-eau) ou stables (ciment-argile-eau et adjuvant) ;
les liquides, solutions pures (résines), colloïdales (gels) et émulsions.
4.4.4.2.
Les injections sont prévues dans de nombreux projets pour consolider le terrain ou réduire
la perméabilité. Citons par exemple les injections avant excavation dans des terrains instables,
les injections de compensation pour limiter les tassements lors de la construction de tunnel,
les injections de consolidation sous les radiers, etc.
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59
4.4.4.3.
Compte tenu des dimensions du projet Myrrha et de la sous-pression à reprendre, les quantités
d’injection seraient très élevées. De plus, le risque de déviation lors des forages n’est pas
négligeable. Ces déviations seraient alors à l’origine de problèmes de venues d’eau
importantes dans la fouille. La consolidation par injection n’est dès lors pas retenue. Elle
pourrait cependant être utilisée localement pour des approfondissements du radier.
4.4.5.
Tubes poussés
4.4.5.1.
Description
Les tubes poussés sont réalisés suivant le principe suivant :

Construction d’un puits de départ et d’un puits d’arrivée.
Descente et montage dans le puits de départ d’un tunnelier et d’un massif de poussée.
Percement de la paroi du puits et excavation du terrain, le tunnelier prenant appui sur
le massif de poussée.
Descente du premier élément de galerie et placement entre le tunnelier et le massif,
le frottement étant compensé par une injection annulaire de bentonite.
Poursuite de l’excavation au cours de laquelle l’ensemble « tunnelier + éléments
de galerie » s’appuie sur le massif.
Arrivée du tunnelier au puits d’arrivée et remontée de la machine.
Ferraillage et bétonnage éventuel de la galerie ainsi réalisée.
La figure ci-dessous montre le principe du « poussage » au niveau d’un puits de départ.
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Cette technique est fréquemment utilisée pour des travaux en sous-œuvre afin de réaliser
un toit de tubes poussés pour limiter les tassement et reprendre les efforts. La limitation
au niveau de la longueur est fonction de la nature du terrain (frottement), de la poussée
du massif, du diamètre, de la présence éventuelle de station intermédiaire, etc.
La réalisation de tubes poussés en milieu aquifère nécessite un tunnelier fermé avec contrepression pour stabiliser le front. La contre-pression admise généralement est de 3 bars.
Des connexions entre tubes voisins peuvent être réalisées mais sont plus difficiles à mettre
en œuvre en cas de présence d’eau.
Les tubes sont juxtaposés et peuvent être placés dans un même plan ou suivant une voûte
ou contre-voûte, ce qui peut présenter l’avantage d’une meilleure transmission des efforts.
4.4.5.2.
1.
La construction du tunnel TGV à Anvers a nécessité la mise en œuvre d’une toiture
en tubes poussés sur une longueur de 80 m et une largeur de 30 m pour couvrir les deux
tubes du tunnel sous un quartier d’habitations (source Tuc Rail – Tractebel).
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2.
La construction du métro d’Athènes a nécessité la mise en œuvre d’une voûte en forme
de fer à cheval en tubes poussés dans le but de réduire les tassements (source SmetTunneling).
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62
Les photos ci-dessous montrent le détail des connexions entre tubes.
4.4.5.3.
Dans le cadre du projet Myrrha, la réalisation du radier par tubes poussés présente les limites
suivantes :
1.
Compte tenu de l’absence d’enceinte étanche, la technique des tubes poussés ne peut pas
être utilisée dans le cas de la structure « enterrée ». En effet, à cette profondeur la surpression à appliquer au front est de minimum 5 bars, ce qui est incompatible avec cette
technique.
2.
Dans le cas de la structure « en surface », la sur-pression à appliquer au front du tunnelier
est de minimum 3 bars. Cette valeur est considérée comme une limite supérieure
d’application de la technique des tubes poussés.
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63
3.
La rigidité du radier est importante étant donné la sous-pression qui sera exercée in fine.
Les tubes adjacents doivent dès lors travailler ensemble transversalement et il est
indispensable de réaliser des connexions entre eux. La réalisation de ces connexions est
possible, mais fortement compliquée compte tenu du travail sous eau et des fortes
pressions à la profondeur du radier (travail sous sas, etc.).
4.
La réduction de rigidité et les difficultés à réaliser une étanchéité parfaite au contact entre
tubes rendent obligatoire la construction d’un radier définitif au-dessus du « pré-radier »
en tubes poussés.
Cette technique étant soumise à de nombreuses conditions (enceinte étanche, rabattement,
radier définitif à couler), elle n’est pas retenue.
4.4.6.
Havage
La technique du havage fermé est décrite au point 4.3.2 et montre les limites d’un travail sous
pression à des profondeurs telles que celles du projet Myrrha.
4.4.7.
Congélation
La technique de la congélation est décrite au point 4.3.3. Bien que non applicable pour
la construction de l’ensemble de la structure, elle n’est pas exclue localement au niveau
du radier.
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64
5.
APPLICATION AU PROJET MYRRHA
L’analyse des différentes techniques de construction des parois et du radier de la structure
du hall principal pour l’expérience Myrrha permet de retenir plusieurs options qui sont
intéressantes à approfondir.
Parois
Radier
Parois
moulées
30 m
50 m
Havage fermé
Havage ouvert
30 m
30 m
50 m
50 m
Radier coulé
sous eau
L
L
Pré-radier
sous eau +
radier à sec
L
L
Rabattement +
radier à sec
*
*
*
Congélation
Pieux
sécants /
tangents
Palplanches
30 - 50 m
30-50 m
30-50 m
*
Consolidation
par jet grouting
Consolidation
par injection
Tubes Poussés
Congélation
Pieux sécants
Technique envisageable pour la construction du bâtiment Myrrha
L
Technique envisageable pour la construction du bâtiment Myrrha mais
à la limite des techniques éprouvées et dès lors avec réserves
Technique non recommandée pour la construction du bâtiment Myrrha
*
Impact sur environnement / autorisation
Technique non recommandée globalement mais envisageable pour
un approfondissement local
On observe dès lors que les techniques retenues sont les parois moulées et structures havées
ouvertes, avec soit un radier coulé sous eau, soit un pré-radier sous eau et un radier définitif
à sec. Les techniques telles que la congélation, les pieux sécants/tangents, les consolidations
par injection ou jet grouting ne sont pas recommandées pour l’ensemble de la structure, mais
pourraient être utilisées pour des approfondissements locaux.
Les points suivants décrivent des exemples de réalisations pour la construction du bâtiment
Myrrha.
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65
5.1.1.
Parois moulées butonnées à la base et pré-radier coulé sous
eau
Le schéma de construction de l’enceinte périphérique en parois moulée associée
à un pré-radier coulé sous eau peut être le suivant :
1.
construction de l’enceinte avec succession de parois en « T » de 2,80 m et de parois
rectangulaires de 7,20 m. La paroi en « T » se prolonge de 10 m sous le niveau du radier
définitif. Elle peut également être prolongée uniquement avec la barre horizontale du T
jusqu’à une profondeur de fiche supérieure si nécessaire ;
2.
construction entre les branches verticales de deux « T » opposés d’un buton en paroi
moulée, d’une hauteur de 10 m sous le niveau du radier définitif. Eventuellement paroi
moulée complémentaire jusqu’en surface si on souhaite compartimenter le travail ;
3.
excavation sous eau de toute la structure avec butonnage ou travail par zone dans le cas
d’une paroi moulée additionnelle ;
4.
béton coulé sous eau sur environ 4 m entre les éléments « buton » de 10 m de hauteur
et quelques armatures pour liaisonner le pré-radier. Eventuellement ancrage du pré-radier
par barrettes pour réduire son épaisseur ;
5.
pompage de l’eau dans la structure ;
6.
coule radier définitif à sec, celui-ci étant dimensionné en tenant compte de la présence
du pré-radier ;
7.
monte avec la structure intérieure du hall en maintenant les butons intermédiaires tant que
la dalle de toiture n’est pas coulée ;
8.
fermeture de la structure par la dalle de toiture et retrait des butons.
5.1.2.
Parois moulées et radier définitif coulé sous eau
Le schéma de construction de l’enceinte périphérique en paroi moulée associée à un radier
définitif coulé sous eau peut être le suivant :
1. construction de l’enceinte avec succession de parois en « T » de 2,80 m et de parois
rectangulaires de 7,20 m. La paroi en « T » se prolonge de 10 m sous le niveau du radier
définitif uniquement avec la barre horizontale du « T » ;
2. excavation sous eau de toute la structure avec butonnage, y compris sous le niveau bas
du « T » sur la hauteur du futur radier ;
3. descente des cages d’armatures du futur radier ;
4. placement de poutrelles en « H » entre les bases de parois moulées en « T », de façon
à créer un appui pour le futur radier ;
5. béton coulé sous eau sur l’épaisseur du radier ;
6. pompage de l’eau dans la structure ;
7. monte avec la structure intérieure du hall en maintenant les butons intermédiaires tant que
8. fermeture de la structure par la dalle de toiture et retrait des butons.
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66
5.1.3.
Structure par havage ouvert et radier définitif coulé sous eau
Le schéma de construction de la structure havée associée à un radier définitif coulé sous eau,
peut être le suivant :
1.
construction de la trousse coupante et de la première phase des voiles extérieurs avec
murs raidisseurs intérieurs ou butonnage ;
2.
excavation sous eau et descente de la structure avec réduction des frottements
par la présence d’une couche de bentonite ;
3.
deuxième phase de bétonnage en surface et descente de la structure ;
4.
poursuite du processus jusqu’à la profondeur requise ;
5.
descente des cages d’armatures du futur radier et positionnement sous les appuis intégrés
dans la structure des parois extérieures ;
6.
béton coulé sous eau sur l’épaisseur du radier ;
7.
8.
9.
5.1.4.
Structure par havage ouvert et pré-radier coulé sous eau
Le schéma de construction de la structure havée associée à un radier définitif coulé sous eau
peut être le suivant :
1.
construction de la trousse coupante et de la première phase des voiles extérieurs avec
murs raidisseurs intérieurs ou butonnage ;
2.
excavation sous eau et descente de la structure avec réduction des frottements par
la présence d’une couche de bentonite ;
3.
deuxième phase de bétonnage en surface et descente de la structure ;
4.
poursuite du processus jusqu’à la profondeur requise ;
5.
béton coulé sous eau sur l’épaisseur du pré-radier éventuellement ancré par barrettes ;
6.
7.
ferraillage et bétonnage du radier définitif ;
8.
9.
Belgatom
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6.
CONCLUSIONS
La présente étude nous a permis de retenir les techniques envisageables suivantes :

pour la réalisation des parois : les parois moulées et le havage ouvert ;
pour la réalisation du radier : le radier coulé sous eau et le pré-radier sous eau avec radier
définitif à sec.
Le cas de la structure à 50 m de profondeur se situe à la limite des techniques éprouvées,
surtout concernant les ferraillages nécessaires pour supporter les charges. Il y donc lieu
d’émettre des réserves quant à cette option. Les calculs détaillés en deuxième phase d’études
permettraient de confirmer ou d’infirmer ces réserves. Par contre, l’option à 30 m de
profondeur ne présente pas de limites de réalisation avec les techniques retenues.
Signalons également que si l’option de la structure à 50 m devait être retenue, il y aurait lieu
d’optimiser l’épaisseur de la couverture de terre de la toiture. En effet, l’épaisseur de 20 m
de terre directement sur la toiture du hall non contreventé est très défavorable. Elle pourrait
dès lors être réduite et remplacée par un vide entre la toiture de fermeture du hall et un
plancher destiné à supporter la couverture de terre et à compléter le butonnage de la structure.
L’effet du séisme augmentera aussi la densité d’acier.
La comparaison entre structure rectangulaire et structure circulaire démontre clairement les
avantages d’une telle optimisation. En effet, la structure circulaire permet une meilleure
distribution des efforts et, dès lors, un allègement de la structure. Cette optimisation étant
lourde de conséquence d’un point de vue exploitation, elle n’a pas été approfondie, mais en
deuxième phase d’études, il serait intéressant d’envisager une réorganisation des volumes
entre hall principal et structures annexes.
La construction suivant la solution classique de rabattement et fouille sèche n’a pas été
retenue compte tenu de la proximité des bâtiments existants qui seront dans le cône
d’influence du rabattement. De plus, cette solution nécessitera l’augmentation de la fiche des
parois et l’évacuation de débits importants. Une nuance doit cependant être apportée à cette
conclusion. En effet, la confirmation de l’existence d’un horizon étanche à une profondeur
approximative de 25 m et de l’absence de liaison entre les deux nappes pourrait amener
à retenir la solution du rabattement, mais à l’heure actuelle, sans forages de reconnaissance
spécifiques, ce fait ne peut être confirmé.
Nous insistons également sur le fait que la proximité du radier, renfermant le réacteur
expérimental, avec la nappe d’alimentation en eau potable de la région pourrait amener
les autorités de sûreté à exiger des mesures de protections complémentaires. Celles-ci
pourraient entre autres consister en la réalisation d’un espace visitable de cette zone afin
de contrôler les éventuelles infiltrations, etc. Signalons également le problème de la
température élevée du béton de radier et la problématique de l’activation des sables.
Ces différents points pourraient nécessiter un approfondissement local du radier.
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Bien que les techniques telles que la congélation, les pieux sécants/tangents,
les consolidations par injection ou jet grouting ne soient pas recommandées pour
la construction de l’ensemble de la structure, celles-ci pourraient être utilisées pour des
approfondissements locaux.
La deuxième phase des études aura donc pour objectif d’approfondir l’étude des techniques
retenues, en incluant une étude budgétaire, un planning des travaux et l’établissement de plan
guide pour la solution retenue in fine. Au stade de cette deuxième phase, certains points en
suspens devront être validés, comme par exemple la problématique de la proximité de l’eau,
de la température élevée du béton, de l’activation des sables, de la configuration retenue
(« surface » ou « enterrée »). L’influence d’un séisme sera également prise en compte afin
d’optimiser les quantités d’armatures à mettre en œuvre.
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Appendix 4
Review by Tractebel Engineering
of the D38 draft version
1/8
Project :
N - R&D : PRELIMINARY DESIGN ADS
Subject :
PDS-XADS WP5.3 Comments on the deliverable D38 - Building and Containment Design of the
Small-Scale XADS: Sizing & Drawings
This document contains the comments of TE made on Deliverable 38 (D38) of the PDSXADS project. It is intended as feedback for the authors of the document and is a result of
a review of D38 conducted by TE.
00
04
02
24
FIN
*C. Ramaeckers
Rev.
yy
mm
dd
Stat.
Written
R
x
D
*J. Pirson
Verified
Approved
Validated
C
Dest.
1
0
8
4
4
0
5
3
N 2
Imputation
Avenue Ariane 7 - B-1200 Brussels
Technical subdivision
R & D - N U C 4 N
Project code
Type
5
Running number
Issuer
6
0
0
Folio
This document is the property of Suez-Tractebel s.a. Any duplication or transmission to third parties is forbidden without its prior approval.
* This document is fully signed on 03/03/2004.
1 A
0
0
0
Rev.
2/8
PDS-XADS WP5.3 Comments on the deliverable D38
Building and Containment Design of the Small-Scale XADS:
Sizing & Drawings
Table of contents
Page
1.
Introduction ................................................................................................................ 3
2.
Comments.................................................................................................................. 3
3.
References................................................................................................................. 8
R&D-NUC/4N/0000056/000/00
Ed. 040224
3/8
1.
Introduction
This document contains the comments of TE made on Deliverable 38 (D38) of the
PDS-XADS project. It is intended as feedback for the authors of the document and is a
result of a review of D38 conducted by TE.
The document D38 of the PDS-XADS project (ref. [1]) describes the building and
containment design within the global preliminary design studies of the small-scale
XADS.
The reference concept for the MYRRHA building is a partially underground
configuration. Two alternatives are also considered: the “covered” building and the
“full underground” configuration.
The report [1] is divided into several parts:
• the building reference concept;
• the advantages and drawbacks of two alternatives concepts;
• the technical feasibility of digging in the fully-saturated aquifer sands of the MOL
site, mainly based on the study performed by Belgatom - Tractebel Engineering [2];
• the possible locations of the reactor on the site at Mol;
• items being studied;
• the appendix 1 giving the different zones within the MYRRHA building;
• the appendix 3 Belgatom Final Report [2].
2.
Comments
• §0: General introduction
Paragraph 4 – 5th line
“…better..”
to be replaced by
“…easier…”
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Ed. 040224
4/8
• §1.1: General description
Paragraph 2 – 2nd line:
“..may be built separately, what may have a positive influence for the seismic
calculations”
to be replaced by
“could be structurally independent, depending on seismic behaviour”
Paragraph 2 – end of paragraph
The part of the building maintained on N2 atmosphere should be described here
• § 1.2: Moving within the building
3st bullet
“…apparatus”
to be replaced by
“…equipment”
Paragraph 2 – 1st line
“ Movements of material”
to be replaced by
“…equipment handling”
• § 1.3.: Penetrations in the MYRRHA hall
Remark for “air-locks”
we do not think that a personnel air-lock is required. If it must be foreseen, a redundant
air-lock must be foreseen for security reason.
New paragraph to set as last bullet.
“Other utilities (compressed air, water, nitrogen) must also be foreseen.”
New paragraph to set after 3rd paragraph
“The safety air coolers will probably be also located at the ground level and they must
be protected against external events.”
• § 2.1: The “covered building”
“..tunnels”
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to be replaced by
“galleries”
• § 2.2: The full underground”
Paragraph 1 – 4th line:
“more compact shape”
to be replaced by
“circle inscriptible shape”
Paragraph 2 – 2nd line:
“…and the follow-up of the water table evolution under the surrounding buildings
requires also a larger attention”
to be replaced by
“due to water pressures and flows”
New paragraph to set after 2nd paragraph
“Diesel generators and safety air coolers will be probably located at the ground level”
• § 3: Technical feasibility of digging in the Mol sands
Delete: “… but also during the construction process”
Delete: “Interstitial water is pumped in the Diest sands for drinking purposes.”
• § 3.1. The lateral walls
New paragraph to set before paragraph 5 (after figure 6).
“An example of pneumatic caisson should be mentioned: Erasmus bridge with his n°3
support, L 51m, l 15m, under watertable at 24 m (source CFE).”
• § 3.2. The foundation slab
“….technique, used”
to be replace by
“… results”
• § 3.3. Applicability to MYRRHA
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Ed. 040224
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“…difficulty”
to be replaced by
“… complexity”
Table 1: to be replaced by the table proposed for the article TOS
• § 4. Location on the SCK-CEN site at Mol
“…severe conditions”
to be replaced by
“… demanding conditions”
First bullet – 2nd line
“…bng”
to be replaced by
“…long”
Page 14
“a more difficult licensing process can therefore be expected”
Why?........The cooling safety function will be quite the same for all the concepts and
based on air-coolers.
• § 5.1. General layout of the building
3rd line
“…movements”
to be replaced by
“… equipment handling”
7th line after marginal
include
“on the cost and technical point of view (digging Techniques)
• § 5.2. Over-and under-pressure within the building
1st line
“…internal pressure…”
to add
“…nitrogen…”
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2nd line
“Many reactor…”
to add by
“…Many reactors buildings and nuclear buildings”
7th line
“…avoid any”
to be replaced by
“… control the”
Paragraph 3 – 3rd bullet
“…the…release”
to add by
“…the uncontrolled release”
What about the pneumatic devices (valves,..)? They must be supplied with pure
nitrogen instead of air as they generally present a permanent leak.
• § 5.4. Gas and liquid filtering
5th line
“…chimney”
to add
“…chimney equipped with radiomonitoring control devices”
Remark after 1st paragraph
The acceptance is function of the radioactive release licensing studies
• 5.5 Determination of external loading
Paragraph 3
1st line
delete “…calculations”
2nd line
include after plants. “This issue is being reanalyzed in many countries after the
September, 11, 2001 event.
delete the sentence “To date,………….into account”
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• 5.6. Determination of internal loading
Paragraph 1 -1st line
“…loading” add “s”
Remark after 1st paragraph
“Effects of fire are never considered in the mechanical loadings as in the ASME code”
Paragraph 2 –
1st line
“..in”
to be replaced by
“…under”
Last bullet
Remark: what could be the origin of an explosion.
Appendix 2
“Movements”
to be replaced by
“Equipment handling”
3.
References
1. PDS-XADS – DEL/03/038 rev0 (version 1.0.0)
»Building and Containment Design of the Small-Scale XADS : Sizing and
Drawings »
2. R. Ramaeckers & A. Van Cotthem (2003) “Projet MYRRHA – Techniques de
constructions
Phase 1: Analyse des techniques de constructions” Belgatom Final report for SCKCEN – Ref. 94508.500/DTE/NTE/N001.doc
R&D-NUC/4N/0000056/000/00
Ed. 040224