La sismique fréquentielle, outil pour vérifier la continuite de la transmission des contraintes dans un massif applications aux injections, vides, voutes de tunnel

Frequential seismic, tool to check the continuity of stress transmission in a massif applications to injections, voids, tunnel vaults

PDS Consult, Paris, France
Corp Environnement, Chevilly-Larue, France
Solvay, Saint Fons, France
Diepsonderingen Verbeke, Kortrijk, Belgique
Solgeo, Seriate Bergamo, Italie

Corresponding author: pdsparis@free.fr

Résumé

La sismique fréquentielle est une méthode peu utilisée bien que très puissante pour vérifier la continuité des contraintes dans un massif. Mise au point pour des contrôles d’injection, elle est utile par exemple pour déterminer que le toit d'une exploitation minière est resté stable, même 50 ans après son abandon (cas de Chizeuil). Cela peut l'être aussi pour détecter des karsts inattendus sous des fondations (cas de Tournai).

Le principe en est simple : il s'agit d'émettre un choc mécanique dans un terrain et d'analyser en fréquence le signal reçu par un récepteur en plusieurs points du massif. Le champ de contrainte produit par le choc voit son spectre modifié par le terrain : en milieu continu, le modèle de Kelvin-Voigt montre que les fréquences transmises sont plus élevées si le module élastique est élevé ; il en est de même si la viscosité est élevée. En milieu fracturé, les fractures jouent le rôle d'un filtre passe bas : à toute largeur de fissure correspond une longueur d’onde minimale au-delà de laquelle il n'y a pas transmission de la vibration de part et d’autre de la fracture. En conséquence, les hautes fréquences ne passent que s'il n'y a pas de fissures, si le module élastique est élevé et si la viscosité importante, ce qui est un objectif commun à tout constructeur.

A Chizeuil, sept forages de 50 mètres réalisés au-dessus de l’exploitation ont permis de montrer que les hautes fréquences étaient transmises au-dessus de la mine sur 20 mètres ou plus avec une remarquable continuité ; aucune basse fréquence n'apparaît, le toit de la mine n'est donc pas fissuré.

L'exemple de Tournai est l'inverse du précédent : une trentaine de forages de 18 mètres de profondeur ont permis de dessiner une carte sommaire des karsts en dessous de fondations en cours de réalisation et de délimiter précisément un certain nombre de secteurs, ce qui a permis de poursuivre la construction avec un maximum d'informations.

Abstract

Frequential seismic survey is a method which is not often used even very efficient for verifying and assessing the continuity of the stresses in the rock mass. Thus, it has been very efficient for assessing the stability of the roof of a mine chamber, even 50 years after mining (Chizeuil mine). Same accuracy for detecting the karst unexpected under foundations (Tournai site).

The principle is very simple but not so easy for execution: A mechanical shock must be applied in the rock mass for analysing in terms of frequency the signal registered on a receiver in another part of the rock mass. The initial spectrum issued from the shock is modified by the rock mass. In a continuous medium, the Kelvin-Voigt model demonstrates that the frequency is higher if the elastic modulus is high, same for viscosity. In a fractured rock, joints are similar to filters; depending on the thickness of the joint, the specific wavelength is the limit after which the vibration is not transmitted. Thus, the high frequencies are transmitted only if the rock has no joints in case of high elastic model and viscosity.

For the Chizeuil mine, seven 50 m cored boreholes located at the upper edge of a mine chamber were sufficient for demonstrating that the high frequencies were transmitted in a 20 m thick rock beam at the roof level of the cavern below 30 m of fractured rock; thus, the assessment of the conditions for a long term stable roof was performed with the frequential seismic method.

For Tournai site, the frequential seismic was performed for detecting the karstic voids volumes in 3D in order to adapt, or not, the type of soil improvement.