Excavation pour un bâtiment hautement sensible, à Berne

Un concours de prestations globales a été lancé pour la construction d’un nouveau bâtiment pour l’Institut de Médecine légale et le Department for BioMedical Research de l’Université de Berne. Nous avons géré l’excavation – une opération très délicate – et la construction du bâtiment, du concours à la conception de l’exécution en passant par l’élaboration du projet définitif.

Le bâtiment hautement sensible, d’une emprise au sol de 65 x 32 m et comportant cinq étages en sous-sol, devait être protégé des vibrations dues au passage des trains par un radier de 2 m d’épaisseur et un espace vide permettant de l'isoler des voies ferrées. L’entrée des utilisateurs est prévue pour 2021. Le site jouxte les voies CFF et la rue de Morat. La fouille à creuser avait jusqu’à 19.5 m de profondeur ; comme la géologie du sous-sol est difficile à cet endroit, l’excavation était très délicate.

Géologie

Le modèle du sous-sol prévoyait, à partir de la surface, une couche de sédiments résiduels de 6 à 12 m d’épaisseur, une moraine compacte, enfin des dépôts fluvioglaciaux perméables. La situation hydrogéologique est caractérisée par des nappes phréatiques sous pression artésienne à divers niveaux et un niveau de la crue pouvant atteindre la cote de 1.5 m au-dessous des voies ferrées. Néanmoins, l’impact de la nappe phréatique située à l’est avait été jugé marginal.

La fouille

Seule une paroi de pieux sécants entrait en ligne de compte pour la protection de l’enceinte de fouille, vu l’étanchéité et la rigidité requises. Cette paroi doit pouvoir absorber le choc d’un train aussi bien pendant le chantier qu’après la réception du bâtiment. Voici comment on a procédé. Pendant la construction, cinq rangées de tirants d’ancrage forés tubés et précontraints du côté des voies et six rangées de tirants d’ancrage directs précontraints du côté de la rue de Morat ont constitué l’appui de résistance. Lors des essais de résistance, avec une longueur d’ancrage de 8 m et grâce à deux forages complémentaires, une charge extérieure de rupture Rak de 1 050 kN a été atteinte dans la moraine et de 550 kN dans les sédiments avec les tirants d’ancrage forés. Quant aux tirants d’ancrage directs, ils ont montré une résistance extérieure inférieure de 10 %. Sur un total de 540 ancrages, seul un tirant foré tubé n’a pas atteint la charge de précontrainte prévue de 0.6 x Rak, à cause d’une erreur de forage. Toutefois, plusieurs tirants d’ancrage directs en acier trempé B900 ont lâché après deux ans environ, par suite de corrosion fissurante due à la contrainte. Ces tirants avaient été proposés par l’entrepreneur ; aujourd’hui, nous sommes d’avis que seuls des tirants d’ancrage directs précontraints en acier trempé B500 devraient être utilisés.

Du côté des voies ferrées, la pression du terrain théorique a été augmentée de 50 % par rapport à la pression du terrain au repos, comme prescrit par les CFF. La pression du terrain a été introduite perpendiculairement pour les trois premières rangées, puis de manière triangulaire pour la quatrième et la cinquième rangées, comme on le fait généralement pour les fouilles profondes. Un calcul de vérification à l’aide du logiciel PLAXIS, qui applique la méthode des éléments finis à deux dimensions, a confirmé l’exactitude de ces valeurs de la pression du terrain.

Choc d’un train

Pendant la construction, la première couche des ancrages peut absorber des charges dues au choc d’un train jusqu’à 1 000 kN. Une poutre en béton répartit la pression de charge sur environ 5 m de la paroi de pieux forés. À la fin du chantier, les ancrages sont détendus. La paroi de pieux forés est mise sous précontrainte au niveau des deux sous-sols inférieurs et se trouve en porte-à-faux au niveau des deux sous-sols supérieurs. Le choc d’un train est reporté sur le bâtiment par le biais de tampons spéciaux de résistance aux impacts. En temps normal, ceux-ci assurent une séparation acoustique. Ce n’est qu’au moment où les pieux forés sont déformés qu’une force de résistance cumulée apparaît. La distance séparant les tampons les uns des autres est telle que les pieux se déforment seulement de manière élastique.

Épuisement des eaux

L’épuisement de la fouille a consisté en huit puits forés jusqu’à atteindre la couche perméable sous la moraine étanche ; il s’agissait de détendre cette couche et d’éviter ainsi l’effondrement du fond de fouille par rupture hydraulique. La paroi de pieux forés devait être plus profonde que le fond des puits, afin de limiter l’afflux latéral de l’eau de la nappe phréatique. Or, les études préliminaires du sous-sol n’avaient pas réussi à localiser précisément la surface séparant la moraine des dépôts fluvioglaciaux. C’est pourquoi on a décidé de forer d’abord à intervalle régulier un certain nombre des pieux sans armature de la protection de l’enceinte de fouille jusqu’à la profondeur maximale exigée, soit 13 m sous le fond de la fouille. Cela a permis de compléter les informations sur la structure du sous-sol et de déterminer à quelle profondeur les pieux de la paroi de l’enceinte devaient être finalement forés.

Un niveau moyen de l’eau a été choisi comme niveau de la crue pour la protection de l’enceinte de fouille. Un système Wellpoint placé à l’extérieur de la paroi de pieux forés devait empêcher le niveau de la nappe phréatique de dépasser la valeur de crue. Pendant le chantier cependant, l’eau à l’extérieur de la fouille n’a jamais atteint cette limite, si bien que le Wellpoint n’a pas du tout été utilisé.

Les puits ont été mis en service quand l’excavation a atteint la profondeur de la troisième rangée des ancrages. Mais l’objectif d’abaissement de la nappe phréatique n’a pas été atteint, car on ne pouvait pas pomper suffisamment d’eau pour détendre celle-ci, la perméabilité de la couche voisine étant inférieure aux prévisions. Une première mesure a consisté à forer quatre puits supplémentaires jusqu’à environ 4 m au-dessous des pieux forés. Le débit de l’eau a alors dépassé de beaucoup les 600 l/min prévus. Le niveau de la nappe phréatique s’est abaissé aussi à l’extérieur de la fouille et les deux puits de réinjection voisins du cimetière de Bremgarten n’ont plus suffi à l’infiltration de toute cette eau.

On a alors procédé à trois forages exploratoires jusqu’à environ 12 m au-dessous des pieux forés, qui ont montré que la structure du sous-sol était différente de celle qu’on avait prise comme modèle. Sous la moraine imperméable se trouve d’abord une couche de transition, puis des alluvions fluvioglaciales très perméables, enfin, 7 à 9 m au-dessous des pieux forés, des dépôts fluvioglaciaux plus denses. Pour limiter le flux latéral en direction des puits, on a décidé de prolonger la protection de l’enceinte de fouille jusqu’à cette couche plus dense, à l’aide d’une paroi jetting. Le niveau de l’eau a alors pu être abaissé dans l’enceinte de fouille sans que le sous-sol environnant en soit affecté. Le débit de pompage restait cependant très élevé, de 1 200 à 1 800 l/min.

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Auteur/s
Andy Ruoss
HKP Bauingenieure AG