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Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG’08 - Nantes, 18-20 juin 2008
LGV RHIN RHONE : INTEGRATION DU RISQUE KARSTIQUE DANS
LA CONCEPTION DES FONDATIONS DU VIADUC DU PERTUIS
LGV RHIN RHONE : CONSIDERATION OF KARSTIC RISK IN PERTUIS’
VIADUCT FOUNDATIONS DESIGN
Stéphane CURTIL1, Philippe LEGRAND1
1 Terrasol, Montreuil, France
RÉSUMÉ – Les reconnaissances géologiques et géotechniques sur le site du viaduc
du Pertuis ont montré un niveau d’aléa karstique élevé. Le maître d’œuvre SETEC-
TERRASOL a donc adapté les modes de fondation selon les risques identifiés en
phases études tout en anticipant que le niveau d’aléa pouvait être encore supérieur à
celui raisonnablement attendu selon les données disponibles. Cette anticipation s’est
matérialisée dans le Dossier de Consultation des Entreprises (DCE) par intégration
de diverses techniques de traitement des anomalies karstiques susceptibles d’être
mobilisées à volonté en phase travaux.
ABSTRACT – Geotechnical and geological investigations on the site of Pertuis’ via-
duct showed important karstification. The project manager SETEC-TERRASOL de-
cided to adapt foundations of the viaduct according to the risks identified during stud-
ies. Due to the limits of investigations, SETEC considered that the level of karstifica-
tion could be even higher than what could be reasonably expected according to
available data. The design studies and drawing up of contracts anticipated the treat-
ment of karstic anomalies by mentioning various techniques which could be mobi-
lized when easily needed during works.
1. Introduction
1.1. Le projet de ligne à grande vitesse Rhin Rhône branche Est et le viaduc du
Pertuis
La future Ligne à Grande Vitesse (LGV) Rhin Rhône branche Est reliera les villes
de Dijon à Mulhouse. Dans sa partie médiane, la ligne traverse des formations cal-
caires sujettes à la dissolution et à la karstification. En particulier, la zone de Cha-
vanne présente de nombreux indices de karstification : grottes, dolines, perte de la
rivière Sapoie, etc.
Le viaduc du Pertuis est un ouvrage à 5 travées, d’une longueur de 220 m, dont le
tablier est en ossature mixte acier-béton. Situé sur la commune d’Aibre (Départe-
ment du Doubs) à la sortie du tunnel de Chavanne, il permet le franchissement, à
une hauteur de 25 m, de la RD 37 et d’un ruisseau implanté dans une vallée peu en-
caissée.
1.2. Contexte géologique, structural et hydrogéologique
Le viaduc franchit la vallée du Pertuis implantée dans des formations du Jurassi-
que moyen et supérieur représentées par des calcaires du Bajocien. En sondage,
ces calcaires apparaissent sous la forme d’un premier horizon, de 5 à 9 m de puis-
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sance, très fracturé, de calcaire beige en plaquettes surmontant un calcaire gris,
compact, peu fracturé.
L’analyse structurale, conduite par TERRASOL sur les affleurements au voisinage
de l’ouvrage, montre une stratification très régulière à pendage de 15° vers le Sud-
Est ainsi que deux directions principales de fractures subverticales, et orthogonales
(N90E et N190E).
Les sondages carottés révèlent un décalage vertical de la stratigraphie et confir-
ment la présence d’une zone de failles dans l’axe de la vallée selon une orientation
N130E.
La singularité hydrogéologique du site est marquée par des écoulements de ver-
sant dans le massif rocheux, par un écoulement de surface au niveau du ruisseau en
fond de vallée mais également par la présence d’un écoulement dans un réseau hy-
drologique souterrain détecté à plus de 10 m de profondeur sous le fond de la vallée.
2. Indices karstiques identifiés en phases études et adaptation des reconnais-
sances
2.1. Multiplicité des reconnaissances géologiques et géotechniques
Le site du viaduc du Pertuis avait été identifié, dès la phase d’étude d’APS
(Avant Projet Sommaire), comme potentiellement karstique. Ainsi, au cours des diffé-
rentes phases d’études (APD, PRO, DCE), différents types de reconnaissances sus-
ceptibles d’apporter les données nécessaires aux études de fondations et aux analy-
ses du risque karstique ont été mobilisées : relevés géologiques de terrains, sonda-
ges et diagraphies différées. La principale difficulté consiste, lors de ces phases de
recueil de données, à trouver la meilleure adéquation entre les moyens mobilisés et
les objets, a priori inconnu, que l’on cherche à identifier et qualifier. Ainsi pour les 6
appuis et dans un contexte stratigraphique simple, il a été réalisé en phases études :
4 sondages carottés, 39 sondages destructifs dont 5 avec essais pressiométriques.
Des reconnaissances par microgravimétrie ont été programmées en phase travaux
lorsque les terrassements initiaux auront été réalisés afin d’en améliorer la perti-
nence.
2.2. Indices karstiques identifiés en phases études
2.2.1. Indices karstiques détectés en surface
Les analyses confiées par RFF à un prestataire extérieur en phase APD (Avant
Projet Détaillé) classent le site dans une zone à karstification moyenne où divers in-
dices de karstification sont observés. Ils se manifestent par des dolines de dimension
métrique avec effondrement de toit et par une perte du ruisseau en fond de vallée.
En revanche, aucun système karstique n’a été rencontré directement au droit du via-
duc. Ainsi, il était légitime d’attendre des anomalies de dimensions limitées sous les
fondations et les blocs techniques.
2.2.2. Indices karstiques détectés en sondage
Les sondages réalisés sur site mettent en évidence un nombre significatif
d’indices karstiques en profondeur tel que, par exemple, une cavité remplie de 6,3 m
de hauteur entre 14 et 20 m de profondeur (sondage P6PR1327 - culée C5 – Figure
1). Située à 5 m sous le fond de la vallée la cavité produit où un léger souffle dans le
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forage qui l’a intercepté (sondage P6PR2311 – culée C5) et révèle ainsi la présence
d’un réseau karstique continu dans le massif.
Figure 1 Coupe géologique avec indices d’anomalies karstiques (phase APD)
2.3. Image du niveau d’aléa lié aux fondations du viaduc en site karstique
A l’issue des études de phase APD, le niveau d’aléa karstique sur le site de
l’ouvrage était considéré comme moyen ce qui a conduit à renforcer et à adapter les
moyens d’investigation en phase PRO (Projet). Pour autant, la variabilité des don-
nées recueillies (cavités vides ou colmatées, zones d’altération) n’a pas permis
d’avoir, en fin de phase PRO, une connaissance suffisamment fiable du sous-sol de
l’ouvrage vis-à-vis de la typologie et l’aléa karstique pour arrêter de façon définitive
les conditions de réalisation des fondations. Les formes karstiques remplies, zones
décomprimées et zones de calcaires altérés sont les plus représentées. Elles se
trouvent au sommet des formations du substratum mais l’affectent également en pro-
fondeur sur une puissance de plus de 20 m comme le montre la figure 2.
Figure 2. Analyse de la répartition des indices karstiques sous la culée C5 (phase PRO)
Les vides francs, souvent positionnés au dessus de formes remplies, présentent
une extension verticale métrique et leur extension longitudinale peut être décamétri-
que. Les études ont ainsi montré qu’il était fort probable de rencontrer, lors des tra-
vaux, des formes karstiques dont les dimensions pouvaient être supérieures à celles
observées lors des campagnes de reconnaissances. La mise en sécurité de la ligne
à grande vitesse imposait leur diagnostic et leur traitement systématique.
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3. Conception des fondations et adaptation du dossier de consultation des
entreprises
3.1. Fondation des appuis sur la partie Ouest de l’ouvrage : C0, P1 et P2
Jusqu’en phase PRO, en l’absence d’anomalie karstique majeure, les études ont
conduit à retenir des fondations par semelle la culée C0 et les piles P1 et P2 ; les
anomalies karstiques de type dissolution de fractures devant être traitées par injec-
tion de coulis ou mortier et clavage selon leur importance.
Le DCE prévoit donc, pour ces appuis, des fondations superficielles, des recon-
naissances complémentaires en phase travaux au moyen de sondages destructifs et
le remplissage systématique des anomalies détectées. Pour la zone des remblais
d’accès et du bloc technique, le traitement de l’aléa karstique prend alors la forme de
sondages complémentaires, d’un remplissage des cavités détectées et éventuelle-
ment d’un renforcement de la base des remblais par des géotextiles armés.
3.2. Fondation des appuis sur la partie Est de l’ouvrage : P3, P4 et C5
Sur les piles P3 et P4 et la culée C5, les anomalies détectées en phases d’études
se situent à des profondeurs importantes sous le terrain naturel ce qui à conduit à
retenir des fondations par pieux ancrés au-delà des anomalies karstiques soit à 14
m, 18 m et 24 m de profondeur. Des traitements ponctuels des anomalies située
dans la zone de diffusion des contraintes au voisinage des pieux, par remplissage au
coulis ou au mortier, sous faible pression, et par clavage, ont donc été provisionnées
dans le marché de travaux. L’implantation du point fixe du viaduc sur la culée C5, a
nécessité l’ajout d’un traitement de la zone d’altération karstique supérieure par des
colonnes de jet-grouting afin d’en augmenter les caractéristiques de butée nécessai-
res à la reprise des efforts horizontaux.
3.3. Adaptation du Dossier de Consultation des Entreprises (DCE)
L’établissement des DCE (Dossiers de Consultations des Entreprises) a été
l’occasion de tenter limiter le niveau d’aléa financier du projet puisque les importan-
tes reconnaissances géologiques et géotechniques déjà engagées n’avaient pas
permis de cerner totalement la problématique karst sous le viaduc. Ainsi, la consulta-
tion a été enrichie de diverses techniques et méthodes de traitement des karsts sus-
ceptibles de traiter les typologies karstiques reconnues et attendues sur ce site : in-
jections gravitaires de coulis ou de mortier, injections de clavage et jet grouting.
Des reconnaissances complémentaires en phase travaux par sondages et recon-
naissances souterraines avec intervention de spéléologues/karstologues ont égale-
ment été intégrées aux DCE afin de fournir au maître d’œuvre travaux les outils né-
cessaires à une gestion réactive et performante de son chantier. Simultanément, il a
été engagé une phase de reconnaissances complémentaires permettant, au besoin,
d’adapter le marché de travaux lors de sa mise au point avant attribution.
3.4. Traitement des karsts de la section courante à l’Est du viaduc
En section courante, des anomalies karstiques de types zones de dissolution et
d’altération traversant le tracé ont été reconnues en phases d’études et lors des tra-
vaux de terrassement. Elles sont associées à des cavités, vides ou remplies, sous
dalle calcaire. Du fait d’un risque diffus identifié, le traitement prévu et appliqué pour
cette zone est le minage/pilonnage : minage sur 4 m à la base du remblais puis
compactage dynamique avec apport de matériaux granulaires. Compte tenu de la
profondeur des anomalies détectées sous la culée C5 du viaduc, cette technique n’a
pu être généralisée.
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4. Phase travaux : poursuite des reconnaissances, suivi et adaptation des
fondations
4.1. Reconnaissances complémentaires en phase travaux
Les reconnaissances complémentaires réalisées en phase DCE ont montré que
l’étendue des zones touchées par les anomalies karstiques était plus importante que
ce qui était supposé. Ceci a imposé un réexamen de la problématique de traitement
de l’aléa karstique et des fondations de l’ouvrage.
Aucun délai supplémentaire d’études n’étant compatible avec l’avancement nor-
mal du projet, il a été décidé de ne pas engager de reconnaissances supplémentai-
res et de reporter en phase travaux la reconnaissance exhaustive des anomalies au
moyen des sondages nécessaires pour le traitement des karsts par injection.
4.1.1. Reconnaissances systématiques prévue en début de phase travaux
En début de travaux, des reconnaissances systématiques sont réalisées par son-
dages destructifs en roto-percussion avec enregistrement des paramètres de forage,
en diamètre 110 mm afin d’augmenter les contrastes de vitesses et permettre leur
réutilisation pour les travaux d’injection. Une maille primaire de 3x3 m a été jugée
suffisante, compte tenu des observations faites sur les indices voisins, pour diagnos-
tiquer les anomalies significatives sous tous les appuis et blocs techniques de
l’ouvrage. Le maître d’œuvre travaux a toujours la possibilité d’ajouter des points de
reconnaissances si l’analyse des premiers sondages montre une densité d’anomalie
supérieure à ce qui pouvait être normalement attendu.
Pour les appuis fondés sur semelle, les sondages sont descendus jusqu’à la plus
grande des deux profondeurs suivantes :
9 base des anomalies repérées lors des campagnes précédentes
9 profondeur où la variation de contraintes dans le sol après travaux est de 30 %.
Pour les appuis sur pieux, les sondages sont descendus à 15 m au-delà des poin-
tes. L’emprise des blocs techniques est reconnue sur une profondeur de 10 m selon
une maille de 3x3 m.
Par ailleurs, il est aussi effectué, comme en section courante de la LGV, une cam-
pagne de mesure de microgravimétrie (636 points de mesure) sous l’emprise des
blocs techniques.
Il est donc réalisé 806 sondages destructifs de reconnaissance de karst en phase
travaux pour un linéaire de 11 595 m. Sur les sondages qui ont montré des anoma-
lies significatives, il a été mobilisé des moyens de reconnaissance par caméra vidéo
afin de déterminer s’il s’agit de cavités vides ou de cavités remplies de matériaux très
meubles. Ce diagnostic est en effet indispensable pour l’adaptation des méthodes et
moyens de traitement.
Tableau I. Quantitatif de sondage destructif prévu pour les reconnaissances travaux
BT BT
de C0 P1 P2 P3 P4 C5 de
C0 C5
Nombre de sondages 78 33 66 61 21 18 32 368
Longueur des sondages
10 16 23 18 16 22/35 26/39 10
(m)
Linéaire de sondage < 20 780
528 1320 1098 360 360 640 3680
m m
Linéaire de sondage > 20
- - 198 - 54 114 348 -
m(1)
(1)
: y compris longueur des sondages à l’aplomb des pieux : 15 m sous la base du pieu.
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4.1.2. Niveau d’aléa diagnostiqué en phase travaux
L’analyse des données de forage a montré que les typologies karstiques étaient
encore plus complexes que celles envisagées en phases études.
Figure 3. Schéma du réseau karstique identifié sous la culée C5
Dans ces conditions la maîtrise d’œuvre, SETEC-TERRASOL, a décidé d’engager
des reconnaissances spécifiques par moyens lourds, c'est-à-dire avec mobilisation
d’une machine de creusement de pieux en diamètre 1300 mm pour creuser deux
accès au réseau karstique : un de 12 m sous la pile P1 où une galerie était suspec-
tée en phases études et un de 15 m sous la culée C5 où une galerie a été mise en
évidence par les reconnaissances en phase travaux. Par ces accès, la prospection
(voir figure 3 en page suivante) a pu se poursuivre par interventions du maître
d’œuvre et de spécialistes des travaux en milieu confiné souterrain prévues dans le
cadre d’un marché spécifique.
La poursuite des reconnaissances en phase travaux a donc confirmé le niveau
d’aléa très élevé du site avec un système karstique complexe, étagé, communicant,
actif par intermittence et associant au moins 4 typologies karstiques distinctes : cavi-
tés vides, cavités remplies d’argile, zone d’altération en masse et entonnoir
d’effondrement. En cours de travaux, cette situation exceptionnelle a conduit le maî-
tre d’oeuvre SETEC-TERRASOL à modifier sensiblement le projet sous deux des
appuis de l’ouvrage.
4.2. Adaptation des fondations de la pile P1 durant les travaux
Au droit de l’appui P1, les reconnaissances par spéléologues ont montré que la
cavité karstique, de 2 m de hauteur et 1,5 m de largeur en moyenne, partiellement
remplie d’argile, était une galerie active par intermittence, en communication avec un
réseau principale implanté sous la vallée à l’aval et alimentant la résurgence du vil-
lage d’Aibre située à 800 m du viaduc. Les écoulements identifiés correspondent,
d’une part, à un écoulement de faible débit depuis l’amont vers l’aval et, d’autre part,
à un transit résultant d’un mécanisme de remplissage/vidange depuis l’aval, la cavité
jouant office de réservoir de débordement lors des crues du réseau principal.
Afin d’éviter un risque de vidange future, l’argile de remplissage, soit un volume de
25 m3, a été vidé manuellement et évacué par le pieux d’accès de 12 m de haut. La
cavité a été comblée avec du béton pour un volume de 90 m3 après l’avoir obturé de
part et d’autre de la zone d’influence de la fondation, mais tout en aménageant une
continuité hydraulique au moyen d’une buse de diamètre 300 mm (figure 4) sur toute
la longueur comblée soit 30ml.
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Figure 4. Mise en place de la buse de continuité hydraulique sous la pile P1 avant
comblement du karst avec du béton
Le remplissage s’est fait de façon gravitaire au moyen d’un forage en Ф200 et du
« pieu » d’accès après avoir pris le soin de réaliser des évents au niveau des points
hauts de la cavité. En parallèle, les reconnaissances du réseau aval ont identifié une
seconde galerie, également en interférence avec la zone de diffusion des contraintes
de la pile P1, sans pour autant se situer au droit de la semelle. Cette seconde gale-
rie, remplie d’argile à 75%, ne pouvait être vidée manuellement. Il a donc été retenu
le principe d’un renforcement par micropieux, dimensionnés pour transmettre les ef-
forts provenant du massif calcaire au dessus de la cavité vers le plancher de la gale-
rie en cas de rupture de la voûte. Un modèle de calcul aux éléments finis (Plaxis 2D)
a contribué au dimensionnement des 15 micropieux (Φ200 mm) implantés selon une
maille de 1,22x1,22 m. Lors du bétonnage des micropieux, les parties vides de la
galerie, ont été comblées par le mortier de scellement.
4.3. Adaptation des fondations de la culée C5 durant les travaux
4.3.1. Identification d’un karst complexe
La culée C5 était prévue pour être fondée sur 12 pieux de diamètre 1500 mm an-
crés sous la base des anomalies karstiques détectées. Cependant, les reconnais-
sances conduites par les spéléologues et TERRASOL ont montré que l’ouvrage se
trouvait en interférence avec un système karstique complexe composé en partie
haute, sous le bloc technique, d’une zone d’altération en masse du massif et, plus en
profondeur, de différentes morphologies karstiques :
9 Des galeries de dissolution de 1 à 2 m de largeur, interconnectées, atteignant
plus de 4 m de hauteur, partiellement remplies d’argiles et se développant selon
un schéma en baïonnette, respectant les directions principales de fracturation ;
9 Une cavité franche de plus 20 m2 et 1,75 m de haut surmontée d’un entonnoir
d’effondrement de plus de 100m² au droit de la culée C5 ;
9 Et à l’aval, un réseau de galeries interconnectées développées par dissolution
d’un banc sensible à la karstification formant des cavités de faible hauteur (0,8 à
1,5 m) et relativement large (2 à 4 m). Cette zone présente de nombreuses reli-
ques d’effondrements de toit récents.
L’analyse a montré, comme pour la pile P1, qu’il s’agissait d’un réseau actif par in-
termittence, en communication avec un réseau principal à l’aval, qui subit des phé-
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nomènes de remplissage-vidange depuis l’aval en période de crue. Cette singularité
imposait de conserver, après traitement du karst, une continuité hydraulique puis-
qu’un ruisseau souterrain s’écoulait ponctuellement sous la culée C5 en période plu-
vieuse.
Figure 5. Sous la culée C5 : zone de terrassement avec 2 cavités karstiques ‘à
gauche). Mise en œuvre de la conduite Ф1000 en fond de terrassement (à droite)
4.3.2. Adaptation du mode de traitement des anomalies karstiques
Les caractéristiques complexes de ce karst obligeaient à prendre en compte pour
le choix de la ou des solutions de traitement :
9 Une géométrie de l’anomalie certainement pas totalement identifiée,
9 Un risque important de vidange des remplissages argileux,
9 Un risque de poursuite des effondrements reconnus sous la culée,
9 Les circulations hydrauliques observées dans le réseau karstique sous la culée.
Dans ces conditions, les solutions de traitement initialement prévues au marché
(jet grouting, injection de mortier, clavage au coulis) n’étaient plus applicables car,
au-delà d’un aspect de faisabilité, elles ne pouvaient garantir la stabilité et la sécurité
à long terme du bloc technique.
Le maître d’œuvre, SETEC-TERRASOL, a donc proposé une solution par terras-
sement en grande masse de la zone pour un volume de 35 000 m3 (Figure 5), la
construction d’un ouvrage hydraulique (Ф1000) en fond de terrassement avant rem-
blaiement et la mise en place des fondations profondes initialement prévues qui res-
taient nécessaires pour la reprise des efforts horizontaux de point fixe du viaduc.
La mise en œuvre de cette solution s’est faite dans des délais compatibles avec le
planning de construction de l’ouvrage sans rencontrer de difficultés particulières.
5. Conclusion
La mise en sécurité totale de la ligne à Grande Vitesse impose de traiter toutes les
cavités et anomalies karstiques susceptibles d’interférer avec l’ouvrage. Sur le site
du viaduc du Pertuis, lLa variété des typologies karstiques identifiées en phases étu-
des sous les différents appuis de l’ouvrage a conduit le projeteur à adapter, pour
chaque appui, les modes de fondations et les traitements associés. Ainsi,
l’anticipation, en phase Projet, d’un niveau d’aléa karstique élevé et l’intégration dans
le marché de travaux de moyens de prospection et de traitement variés ont permis
d’adapter les dispositions constructives, en phase travaux, aux conditions géotechni-
ques réelles et aux risques identifiés avec un impact limité sur les délais de
l’opération et une garantie d’un niveau de sécurité très élevé pour l’ouvrage.
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