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Technologie du Boulonnage GT6R4F1

www.aftes.asso.fr

ASSOCIATION FRANÇAISE DES TUNNELS ET DE L’ESPACE SOUTERRAIN

Organisation nationale adhérente à l’AITES

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RECOMMANDATION DE L’AFTES N°GT6R4F1 M

14 M TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°241 - Janvier/Février 2014

Technologie du Boulonnage

L’A.F.T.E.S. recueillera avec intérêt toute suggestion relative à ce texte.

Texte présenté par Paul ROUX (Spie batignolles TPCI) Animateur du groupe de travail

Ce document a été réalisé avec la collaboration de :Patrick BIENFAIT (Egis Tunnels) - Stéphane BLOND (Bec Fayat) - Anne BOUVARD (Tractebel Engineering) - Guy CUEILLE (Retraité) - Sylvain ECKERT (Vicat)

Michèle FEMELAND (CETU) - Romain GARNERO (Spie batignolles TPCI) - Daniel GILLE (Atlas Copco) - Christophe JASSIONNESSE (GEOS)Philippe KOENIG (Atlas Copco) - François LAIGLE (EDF/CIH) - Bernard LASNE (Consultant) - Renzo MARUCCO (Mecsider)

Patrick SABY (Metal Service/Thema) - Rémy WITTMANN (Minova)

Cette recommandation a été approuvée par le Comité Technique de l’AFTES suite à une relecture critique du texte par :Pierre HINGANT (EGIS) - Alain MERCUSOT (CETU) - Jean PIRAUD (ANTEA) - Loïc THEVENOT (EIFFAGE) - Jean LAUNAY (VINCI) - Christian PLINE (GEODATA)

1 - Introduction : définition et typologie du boulonnage 3-1.1 - Boulons à ancrage ponctuel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

1.2 - Boulons à ancrage réparti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1.3 - Boulons mixtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

1.4 - Boulons à friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1.5 - Boulons coulissants et autres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

1.6 - Boulonnage de front . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1.7 - Boulonnage de radier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2 - Foration 12-2.1 - Techniques de foration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.2 - Exécution de la foration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

2.3 - Travaux spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3 - Boulons 17-3.1 - La tige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3.2 - Pointe ou dispositif d’ancrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.3 - La tête . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

3.4 - La plaque de répartition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3.5 - Protection contre la corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

3.6 - Caractéristiques utiles au dimensionnement . . . . . . . . . . . .21

4 - Ancrages 22-4.1 - Ancrage ponctuel ou ancrage mécanique . . . . . . . . . . . . . . .22

4.2 - Scellement à la résine ou au coulis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

4.3 - Boulons à friction à expansion hydraulique . . . . . . . . . . . . .29

4.4 - Boulons à friction enfoncés par percussion (à force) . . . . . .31

4.5 - Ancrage mixte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

4.6 - Boulons autoforeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

5 - Securité de la phase boulonnage 35-5.1 - Textes de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

5.2 - Evaluation et analyse des risques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

5.3 - Mesures à prévoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

6 - Contrôle du boulonnage 38-6.1 - Principes de contrôle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

6.2 - Contrôle des constituants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

6.3 - Modes opératoires des essais de traction et d'arrachement sur boulons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

6.4 - Surveillance des boulons en cours de chantier . . . . . . . . . .44

7 - Matrice d’interprétation 45-

Sommaire

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TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°241 - Janvier/Février 2014

Le boulonnage, dont la technologie est l’objet de cette recommandation,

constitue l’un des éléments les plus fondamentaux intervenant dans les tech-

niques de soutènement des tunnels principalement réalisés par méthode

conventionnelle.

Cette recommandation traite (Fig. 1) :

• du boulonnage radial, voûte, piédroits, radier

• du boulonnage de front (longitudinal)

• du boulonnage par enfilages longitudinaux obliques

Le boulonnage peut être complété par d’autres moyens de soutènement :

cintres, béton projeté, treillis…

Elle se limite aux travaux utilisant des matériels courants. Les technologies

spécifiques faisant appel à des matériels particuliers comme les boulons de

très grande longueur (au-delà de 15m, câbles ou tirants) ne sont pas traitées.

La longueur des boulons radiaux est en générale comprise entre 1/3 et 1/2 de

la plus grande ouverture transversale de l’excavation. De ce fait, pour des

ouvrages classiques, leur longueur n’excède pas 6 m. Pour le boulonnage

longitudinal, la longueur des boulons se situe classiquement entre 8 et 15 m.

D’une manière générale cinq grands types de boulons sont à distinguer :

1.1 - Boulons à ancrage ponctuel

Le boulonnage à ancrage ponctuel consiste à relier le plan de la surface excavée

à un point profond de roche intacte. L’ancrage est généralement assuré par un

dispositif mécanique (Fig. 2) mais peut occasionnellement être associé à un

scellement de la barre en fond de trou par résine.

Classiquement, l’ancrage en fond de trou s’obtient par un blocage d'une coquille

d'expansion sur la paroi du trou suite à l’enfoncement d’un coin par traction

mécanique obtenue par vissage. La mise en tension du boulon par précontrainte

– induite par serrage de l’écrou de tête ou par expansion ou décompression

des terrains – est indispensable pour obtenir une efficacité optimale de ce sys-

tème de soutènement.

L’avantage majeur du boulonnage à ancrage ponctuel est sa mise en œuvre

rapide ainsi que son efficacité immédiate. Cette efficacité ne se maintient cepen-

dant dans le temps que si la roche ne flue pas au voisinage de l’ancrage.

Ce type de boulon peut de plus être mis en œuvre en cas de venues d’eau dans

le forage.

Les caractéristiques standard sont des diamètres de 16 à 20 mm pour des

longueurs comprises entre 1,50 et 3,00 m.

1.2 - Boulons à ancrage réparti

Le boulonnage à ancrage réparti consiste à sceller des barres métalliques (ou

autres) sur toute leur longueur dans le trou d’ancrage. Le produit de scellement

est généralement de la résine, du mortier de ciment ou du coulis (Fig. 3).

Le scellement réparti sur toute la longueur du trou d’ancrage garantit une bonne

pérennité du boulon.

1.2.1 - Scellement à la résine

La résine est généralement introduite sous forme de cartouches dans le trou

d’ancrage.

RECOMMANDATION DE L’AFTES N°GT6R4F1

1 - Introduction : définition et typologie du boulonnage-

Vissage sur la plaque

noix coins

Fig. 2 - Schéma du boulon à ancrage ponctuel.

Vissage dans la noix

écrou

barre

Plaque d’appui simple

Fig. 3 - Schéma du boulon à ancrage réparti.

Boulonnage radial Boulonnage longitudinal du front

Boulonnage longitudinal, enfilage

Fig. 1 - Schéma des différents types de boulonnage utilisés.


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Ce type de scellement est habituellement utilisé pour des boulons jusqu’à 4 m

de longueur, son efficacité est de l’ordre de 5 à 15 minutes.

1.2.2 - Scellement au mortier

Ce scellement consiste à enfoncer le boulon dans le trou d’ancrage préalable-

ment rempli d’un mortier thixotropique permettant la tenue de ce mortier même

dans les trous verticaux forés en voûte ainsi qu’un très bon remplissage du trou

de forage.

Ce type de scellement est habituellement utilisé pour des boulons de longueur

inférieure à 5m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du

mortier.

1.2.3 - Scellement au coulis

Ce scellement consiste à injecter au coulis le boulon après sa mise en place

dans le trou de forage par l'intermédiaire d'un tube ou flexible attaché à la tige.


supérieure à 5 m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du

coulis.

1.2.4 - Cas particulier des boulons autoforeurs (Fig. 4)

Ce type de boulons consiste en une tige métallique creuse munie en son extré-

mité d’un taillant perdu utilisé pour la foration du trou d’ancrage. Le scellement

est effectué en injectant le produit de scellement par l’intérieur du boulon.

Le boulon autoforeur convient particulièrement aux terrains fracturés et pour

des grandes longueurs d’ancrage.

Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du produit de scellement

(coulis de ciment, mortier ou résine).

Ce type de boulon est également utilisé pour les enfilages.

1.3 - Boulons mixtes

Le boulon mixte (Fig. 5) est un

boulon à ancrage ponctuel,

scellé dans un deuxième

temps par injection d'un pro-

duit de scellement.

Ces boulons présentent

l’avantage d’apporter une

efficacité immédiate grâce à

l’ancrage ponctuel, et de

pouvoir ensuite être injecté,

améliorant la pérennité et

renforçant ses performances.

Certains boulons à friction peuvent être équipés d’un taillant perdu utilisé pour

la foration (autoforeurs) et deviennent mixtes par injection (Fig. 6).

1.4 - Boulons à friction

Les boulons à friction sont des profilés métalliques creux et minces mis en

contact intime avec la roche, sur toute leur longueur, de façon à permettre une

tenue par friction. Leur efficacité est immédiate.

Cette friction entre le terrain et le boulon peut être assurée de deux façons

différentes :

• Soit par expansion hydraulique du profilé dans le trou de forage, par injection

d’eau sous pression à l’intérieur du dit profilé tube fermé (Fig. 7).


écrou Plaque plane Manchon avec arrêt central permettant

un contact direct entre les tiges limitant ainsi les pertes d’énergiedurant la foration

Fig. 4 - Schéma d’un boulon autoforeur type MINOVA SDA®.

Tige fabriquée en tubes de haute qualité avec un pas de vis roulé à froid (pas standard à corde ou trapézoïdal)

Plaque bombéeen acier platformé à froid

Tube de protection si nécessaire Coulis

Divers types de taillantspermettent une foration

rapide dans les terrains etroches de nature diverse

Flexibles d’injection et d’évent

Dispositif d’ancrage mécanique

Tige d’acier

Forage de boulonnagerempli de coulis ou de mortier

Fig. 5 - Schéma de principe du boulon mixte.

Fig. 6 - Schéma du boulon à friction autoforeur.

1. Boulon à friction2. Plaque d’ancrage3. Taillant

4. Tige de foration5. Anneau de frappe6. Manchon

tube à expansion en acier

Plaque d’appui

Fig. 7 - Schéma du boulon type Swellex®.


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• Soit par poussage en force d’un tube fendu dans le trou de forage, le diamètre

initial du profilé fendu étant supérieur à celui du trou (Fig. 8).

Le boulon à friction travaille par frottement sur les parois du trou. Dans le cas

du Split Set®, la possibilité d’une injection et du scellement du profil augmente

la capacité de l'ancrage.

1.5 - Boulons coulissants et autres

Il existe des boulons coulissants, adaptés aux conditions de « rupture brutale »

de la roche (« rock burst »).

Il peut s’agir de boulons de type

mixte comme le « Cone Bolt® » :

les efforts produits par la défor-

mation brutale de la roche sont

transférés à la tige via la plaque

d’ancrage. Pour que ces efforts

atteignent la limite de fonction-

nement en ancrage réparti, un

revêtement spécial de la tige

favorise le glissement.

Le glissement de la tige dans le scellement entraîne le poinçonnement

du coulis par l'ancrage et permet un déplacement du boulon qui garde son

efficacité (Fig.10).

D’autres systèmes destinés à absorber des déformations brutales de la roche

ont été développés, utilisant par exemple le déploiement d'éléments coudés

constituant quelques segments de la tige « D-Bolt® » (Fig.11).

1.6 - Boulonnage de front

Cette technique est utilisée pour prévenir une déformation du front de taille,

les boulons sont mis en œuvre perpendiculairement au front.

La reprise du creusement dans le front boulonné nécessite l’utilisation de bou-

lons facilement destructibles, habituellement en fibre de verre et scellés au

coulis de ciment sur toute leur longueur.

Pour des considérations géotechniques et de chantier, il s’agit surtout de bou-

lons de grande longueur : 1,5 à 2 fois le diamètre de l’excavation. A l'avance-

ment, les boulons sont mis en œuvre de façon à maintenir un recouvrement

d’environ 1/3 de leur longueur.

1.7 - Boulonnage de radier

Dans certains cas, les radiers peuvent recevoir un confortement par boulon-

nage de type radial soit par des boulons métalliques, soit par des boulons en

fibre de verre pour des excavations réalisées en plusieurs phases dans des

terrains gonflants.


Fig. 8 - Schéma du boulon type Split Set®.

Fig. 9 - Schéma du boulon mixte type Cone Bolt®.

Fig. 10 - Schéma de fonctionnement du "cone bolt®".(d’après McKenzie, R, Use of Cone Bolts in Ground Prone to Rockburst, Coal Operators' Conference,University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 2002)

Fig. 11 - Shema du boulon type D-Bolt®.

Avant rupture brutale

Aprèsrupture brutale

2 - Foration-

Type de scellement PonctuelFriction

Résine MortierSplit Set® Swellex®

Diamètre nominal (mm) 31 à 80 28 à 37 28 à 37 20 à 32 20 à 32

Diamètre foration (mm) 32 à 89 33 à 46 32 à 45 28 à 41 38 à 64

Selon les préconisations des fabricants, les diamètres de foration recommandés sont les suivants :


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Pour les boulons scellés aux mortiers le diamètre de foration dépend de la

qualité du terrain et de la longueur du scellement et il varie de 1,5 à 2 fois le

diamètre de la tige

Pour les boulons scellés à la résine, il convient d'être attentif aux performances

des forations pour le respect de l’enrobage optimum des tiges des boulons.

2.1 - Techniques de foration

Dans des terrains de "forabilité normale", c’est-à-dire qui se forent sans

coincements excessifs, ni pertes de fluides et dans lesquels les trous peuvent

rester ouverts le temps nécessaire à la mise en œuvre du boulon sans

détériorations, les principaux modes de foration sont (Fig. 15 et Fig. 16) :

2.1.1 - Foration rotopercutante (rupture par rotation)

La foration rotopercutante (Fig. 12) est généralement conduite à l’aide de

jumbos équipés de marteaux hydrauliques. L’outil est une barre à l’extrémité

de laquelle est vissé un taillant.

Une méthode manuelle avec marteaux pneumatiques permet de forer des

trous de petit diamètre et de longueur limitée.

2.1.2 - Foration rotative (avec écaillage)

Les perforatrices pour foration rotative (Fig. 13) sont dépourvues de frappe.

Le taillant est généralement bilèvres à pastilles de carbure de tungstène, ou

de diamant polycrystallin.

Cette méthode réservée à certains terrains est très productive et permet des

diamètres de foration relativement petits.

2.1.3 - Autres modes de foration

2.1.3.1 - Foration par rotary - rotative par broyage (Fig. 14)Ce mode de foration au tricône est réservé aux forages de grand diamètre

généralement non utilisés pour le boulonnage.

2.1.3.2 - Foration au marteau fond de trouCe mode de foration, peu utilisé pour le boulonnage, est réservé aux diamètres

importants de trous. Ce type de marteau transmet l'énergie de percussion

directement au taillant sans l'intermédiaire des tiges. Ces marteaux sont à air

comprimé et ont un diamètre courant variant de 80 à 500 mm.

Fig. 14 - Forationpar rotary.


Surface libre

Zone broyée

Zone fracturée

Direction du mouvementForce d’impact

Rocher

Fig. 12 - Foration rotopercutante.

Taillant de foration

Direction du mouvement

Découpe d’une tranchepar cisaillement

Rocher

Fig. 13 - Foration rotative. Fig. 16 - Abaque Eimco-Secoma°2.

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Zone de foration rotativeFORTE

POUSSÉE

Zone de foration rotativeMOYENNE POUSSÉE

Zone de forationPERCUTANTE

Fig. 15 - Abaque Eimco-Secoma n°1

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Diamètre de foration en mm

Rotation

Rotary

Marteau fondde trouMarteau hors

du trou

Domaine du boulonnage


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2.1.4 - Récapitulatif : données indicatives utiles au boulonnage

2.1.5 - Outillage

L’outillage de foration est constitué de taillants, de tiges et d’accessoires de

liaison (manchons, emmanchement…).

Pour le boulonnage courant, les trous à réaliser sont de petit diamètre (inférieur

à 50 mm) et de longueur réduite (4 à 6 m). A partir de 6 m, les barres doivent

être manchonnées et les diamètres de foration sont plus importants.

2.2 - Exécution de la foration

2.2.1 - Evacuation des cuttings

En tunnel, pour l’évacuation des cuttings, la foration avec injection d’eau est

préférée à la mousse ou à l’air comprimé.

Le nettoyage du trou se fait par curage et/ou soufflage à l’air comprimé lors

du retrait de la barre. Dans tous les systèmes de renforcement des terrains,

le nettoyage est nécessaire, mais il est primordial que le nettoyage soit effectué

avec un soin particulier dans le cas du boulonnage scellé, et en particulier

pour les scellements à la résine.

2.2.2 - Machines de foration pour boulonnage

La mise en place d’un boulon s’effectue, de manière simplifiée en trois étapes :

• La foration d’un trou de boulonnage

• La mise en place du boulon

• Le serrage et/ou scellement

Plusieurs possibilités pour mécaniser la pose des boulons et plusieurs niveaux

de mécanisation existent.

La premère est d’utiliser le même jumbo pour la foration des trous de mine et

des trous du boulonnage (Fig. 17). Ces jumbos peuvent être équipés de glissières

télescopiques pour adapter les longueurs de foration aux forages d'abattage et

de boulonnage. Ces matériels peuvent être équipés d'articulations, pour pouvoir

se mettre en position de boulonnage (radiale)

avec une cinématique parfaitement adaptée.

Toutefois, la tendance actuelle est à la foration de volées longues, à trous de

mines parallèles, avec des jumbos 2 ou 3 bras. La cinématique des bras per-

mettant la foration des volées devient alors incompatible avec la foration radiale

des trous de boulonnage. Des machines spécifiques sont donc disponibles,

soit avec foration mécanique et mise en place manuelle, soit en automatisant

complètement le processus de mise en place des boulons.

Il existe aussi des machines équipées à la fois de bras munis d’une glissière

de foration pour l’avancement à l’explosif et d’un bras nacelle, à partir de

laquelle les opérateurs mettent en place les boulons.

également, et très souvent, des boulonneurs mécanisés complètement l’opé-

ration de pose. Ceux-ci sont équipés d’une glissière sur laquelle prennent place

l’outillage de foration, un magasin de boulons, et le mécanisme de mise en

place des boulons. Le magasin est généralement limité à 10-12 boulons (Fig.

18). La taille des plaques que l’on peut mettre dans ce magasin est limitée. Il

existe également des magasins et des systèmes de mise en place qui accom-

modent plusieurs types de boulons.

Actuellement, des boulonneurs automatisés sont utilisés pour :

• Les boulons à ancrage mécanique ponctuel

• Les boulons à ancrage réparti, scellés à la résine

• Les boulons à friction de type Split Set®

• Les boulons à friction de type Swellex®

Pour les boulons à ancrage mécanique et les boulons à ancrage réparti scellés

à la résine, la tourelle de boulonnage est équipée d’une rotative qui permet

de serrer le boulon, ou de tourner la tige dans la résine. Certains boulonneurs

automatisés permettent la mise en place simultanée de grillage.

Pour les boulons à friction de type Split Set®, la rotative est remplacée par

un marteau, et pour les boulons à friction de type Swellex® par un emman-

chement et un embout qui permet l’injection d’eau dans le boulon.

Selon les engins et selon les terrains, il est possible aujourd’hui et de manière

économique de réaliser des forages de diamètre 32 à 89 mm sur des longueurs

courantes de 4 m à 8 m avec éventuellement une opération d’allongement de

barres. C’est donc dans cette « gamme » de forages que le boulonnage doit


Fig. 17 - Bras de foration mixte foration / boulonnage.

Mode de forationDiamètre mini usuel

Diamètre maxi usuel

Commentaires

Foration rotopercutante (taillants) 32 mm 89 mm Ø max = 127 mm

Foration rotopercutante (fleurets monoblocs) 28 mm 34 mm

Ø min = 24 mmLongueur limitée 3 m


Possibilité de trous de 15 m longueur

Fig. 18 - Tourelle de boulonnage.


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préférentiellement être mis en place. Le choix du type de boulons à mettre en

place aide à la spécification du type de foration à envisager notamment au

niveau des diamètres.

Compte tenu de l’encombrement, notamment du marteau et des flexibles,

il est important de prendre en compte, lors de la conception, la longueur

des boulons qu’il est possible d’installer dans une galerie de gabarit donné.

La longueur de la glissière est égale à la longueur du boulons plus 1 à 2 m

selon les matériels retenus.

2.3 - Travaux spéciaux

Dans les terrains de "forabilité difficile", il faut soit envisager une foration avec

tubage à l’avancement, soit utiliser les boulons de la gamme des autoforeurs.

On peut également envisager d’utiliser un fluide de forage de type coulis pen-

dant la foration.

Pour ces applications spéciales, les machines utilisées sont des machines

non-standard, équipées spécialement pour ces travaux.


3 - Boulons-

Dans le cas de boulons en matériaux composites, les sections peuvent être

de tout type.

3.2 - Pointe ou dispositif d’ancrage

Ce terme désigne l’extrémité de boulon au fond du trou de forage.

Sa fonction varie selon les types de boulons considérés :

• Coupe droite pour les boulons à scellement par injection.

• Coupe en pointe ou biseautée pour les boulons à scellement en cartouches :

elle permet de percer les cartouches de résine ou de mortier et favorise son

bon malaxage.

• Extrémité tronconique ou avec réduction de diamètre pour faciliter l’intro-

duction des boulons à friction.

• Équipée d’un taillant, elle permet de forer le trou dans le cas des boulons

autoforeurs ; les taillants se déclinent en de nombreuses versions : ils peuvent

être traités ou garnis de plaquettes ou picots carbure, en croix, en arc...

• Équipée d’une coquille, elle constitue l'ancrage ponctuel du boulon : ces

ancrages sont constitués d’une noix centrale sur laquelle viennent glisser

de 2 à 6 coins selon la surface de contact recherchée en paroi du forage.

Ils sont réalisés en acier ou en alliage d’aluminium. Une traction exercée sur

la tige entraîne une expansion de la coquille. Le choix du type de coquille

doit être adapté aux conditions géologiques rencontrées et validé par des

essais (voir § 6).

3.3 - La tête

Ce terme désigne l’extrémité saillante du boulon qui permet de solidariser la

plaque de répartition au boulon.

Dans la majeure partie des boulons à ancrage ponctuel ou à scellement réparti,

elle présente un filetage de longueur 100 à 200 mm recevant un écrou de serrage

hexagonal. Ces filetages peuvent être taillés mais sont généralement roulés. Le

type d’exécution du filetage peut avoir une influence sur la capacité du boulon.

Des exécutions particulières peuvent présenter :

• Des têtes forgées en six pans pour permettre l’entraînement en rotation des

tiges HA scellées à la résine ou pour limiter la partie saillante des boulons

ponctuels. Dans ce cas, le serrage du boulon est obtenu par rotation de la

tige dans la tête d’ancrage.

Ce chapitre est consacré à la caractérisation du boulon y compris ses

accessoires et particularités (filetage, nervures, tête, plaque d’appui).

Pour chaque type de boulons, il convient de préciser :

• Les matériaux constitutifs de la tige et de ses accessoires

• Les caractéristiques mécaniques de la tige et de ses accessoires (voir §3.1)

• Les caractéristiques géométriques de la tige et de ses accessoires

Les principaux matériaux utilisés sont les alliages d’acier, ou bien encore

la fibre de verre, et exceptionnellement la fibre de carbone. Le choix des

matériaux utilisés doit être adapté aux performances recherchées (limite

élastique, allongement à la rupture, destructibilité…).

3.1 - La tige

Il s’agit de la partie centrale du boulon. Sa section est pleine ou creuse selon

les cas.

La tige peut être lisse dans le cas des boulons à friction et des boulons à

ancrage ponctuel ou nervurée dans le cas des boulons à scellement réparti.

Dans ce dernier cas, les nervures améliorent le malaxage de la résine de scel-

lement et donc le scellement.

Il faut citer également le boulon dont les nervures constituent un filetage

continu et qui permet un ajustement de sa longueur sur chantier (boulon de

type GEWI®).

Dans le cas des boulons autoforeurs, la tige peut éventuellement être consti-

tuée de plusieurs éléments connectés par manchon fileté.

Les profils standards de filetage sont :

Type « corde » (le plus courant), Type « té »

Le filetage de type « corde » assure une bonne étanchéité au niveau des

manchons. Le filetage de type « té » facilite le dévissage.

Des profils de filetage non standard sont également utilisés.


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• Des extrémités filetées complétées d’un dispositif d’entraînement en rotation

des tiges HA comme des méplats ou carré d’entraînement, des écrous entraî-

neurs résinés ou matricés, des écrous prisonniers ou goupillés.

Dans le cas des boulons acier à profils filetés ou autoforeurs, ou dans le cas

des boulons en fibres de verre à profils filetés, les têtes de boulons sont sim-

plement équipées d’un écrou.

Les boulons à friction présentent soit une bague soit un embout soudés, qui

viennent prendre appui sur la plaque d’ancrage mise en place avant le fonçage

du boulon.

3.4 - La plaque de répartition

Les plaques d’appui (Fig. 19) constituent un élément important du soutène-

ment, et peuvent être utilisées seules ou associées à du grillage, des feuillards,

des blochets. Elles apportent un confinement du massif rocheux en tête du

boulon.

On peut également utiliser des tôles de blindage pour augmenter la surface

d’appui de ces plaques.

Les plaques se déclinent en 3 types principaux :

• Les plaques rigides dimensionnées de manière à constituer des appuis

statiques par rapport aux boulons auxquels elles sont associées.

• Les plaques déformables ou auto compensatrices permettant des déforma-

tions graduelles en fonction des charges exercées sur les boulons.

• Les plaques spéciales d’injection, de doublage pour le maintien de grillage,

de renforcement (de type « araignée »).

Les dimensions des plaques d’appui sont usuellement de 15 à 20 cm de côté

et 4 à 10 mm d’épaisseur, elles sont planes, bombées ou à rotule avec un trou

circulaire ou oblong afin de permettre une meilleure adaptation à l’angle effectif

du forage de la barre et de l’écrou.

Pour les boulons à friction la plaque est immédiatement opérationnelle sans

serrage.

Pour les boulons à ancrage ponctuel ou réparti la plaque est serrée contre le

parement par l’intermédiaire de la tête avec serrage de l’écrou à la clef à choc

ou éventuellement à la clef dynamométrique. Le couple de serrage doit être

adapté au type de boulon et d’écrou.

La plaque bombée permet une certaine adaptation à la déformation.

Une plaque auxiliaire, clipsée ou vissée sur la tête filetée du boulon est, géné-

ralement utilisée pour la fixation du grillage ou du treillis d’armature, lorsque

ce type de dispositif est utilisé en complément du boulonnage.

L'utilisation de boulonneur et d’une tourelle de stockage contraint à l’utilisation

de plaques de dimension adaptée au matériel (≤ 15 x 15 cm), ce qui peut être

défavorable à la mobilisation du cône de terrain en tête de boulon et à la liaison

avec le parement.

Pour les boulons en fibre de verre, la plaque peut être tenue par un coin inséré

dans la tête du boulon écartant les lames ou les deux parties du boulon. Ce

procédé ne permet pas un serrage optimisé. Il existe aussi des boulons en

fibres de verre cylindriques et filetées en tête permettant la fixation d’une

plaque par un écrou. En général, la tête du boulon en fibre de verre constitue

une section de moindre résistance.

3.5 - Protection contre la corrosion

Lorsque la durée de fonctionnement du soutènement l'exige, une protection

contre la corrosion peut être prévue :

• Scellement continu au mortier au coulis ou à la résine

• Surépaisseur sacrificielle des pièces

• Galvanisation à chaud des pièces

• Protection époxy (peinture à chaud)

• "Coating" par bain bitumineux à froid

• Boulons gainés injectés (Fig. 27)

• Boulons inox

3.6 - Caractéristiques utiles au dimensionnement

En accord avec les recommandations du Groupe de Travail GT30 de l'AFTES sur

la "conception et le dimensionnement du boulonnage radial", les principales

caractéristiques mécaniques utiles au dimensionnement du boulonnage, en

fonction du type de boulons et des références de fabriquant sont les suivantes :

• La résistance de la tige en traction à la limite élastique, en kN

• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) en traction à la

limite élastique, en kN

• La résistance de la tige à la traction de rupture, en kN

• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) à la traction

maximale avant rupture, en kN


Plaques rigides Plaques ajustables à rotule

Fig. 19 - Exemples de plaques.

Plaques de répartitionpour scellement Injecté

Injection Évent

Plaque Araignée


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• L’allongement relatif de la tige en traction à la limite élastique, en %

• L’allongement relatif de la tige à la traction de rupture, en %.

Ces caractéristiques, obtenues par des essais de traction en laboratoire sur

tout ou partie des éléments constituant le boulon tel qu’issu de la fabrication

doivent être garanties (« valeur minimum garantie ») et elles sont indépen-

dantes des conditions de mise en œuvre (foration, scellement, …).

Les caractéristiques de la tige peuvent être théoriquement déduites des carac-

téristiques géométriques du boulon et des caractéristiques mécaniques du

matériau qui le compose, telles que :

• La section résistante de la tige, en mm²

• La contrainte en limite élastique à la traction du matériau, en MPa

• Le module de déformation élastique (module de Young) du matériau, en MPa

• La contrainte maximale en traction du matériau, en MPa

• La déformation à la contrainte maximale en traction, en %

Ces caractéristiques sont théoriquement accessibles quand il s’agit d’un

boulon HA B500B, (HA = Haute Adhérence, B = Barre, 500 = limite élastique

en MPa, B = classe de ductilité) mais elles devront être adaptées quand il s’agit

de boulons plus particuliers tels que les boulons à friction ou les boulons

mixtes. C’est pourquoi il conviendra toujours de privilégier la connaissance

des caractéristiques directement mesurables sur le boulon.

Le fonctionnement du boulonnage dans un massif rocheux implique également

la mobilisation des caractéristiques des boulons « au cisaillement », c'est-à-

dire sous une sollicitation de déplacement relatif, transversale à l’axe de la

tige. Il apparaît qu’il s’agit d’un fonctionnement complexe, impliquant les carac-

téristiques combinées de cisaillement et de traction du boulon lui-même, mais

également celles du rocher et du produit de scellement le cas échéant.

Aucun essai normalisé n’existe pour caractériser ce fonctionnement mais

diverses approches expérimentales ou théoriques ont été menées.

4.1 - Ancrage ponctuel ou ancrage mécanique

L’ancrage du boulon est réalisé à l’aide d’une coquille qui comporte généra-

lement de 2 à 6 coins, et d’une noix centrale. Une tige filetée est insérée dans

la noix (Fig. 20 et Fig. 21).

Les branches de la coquille sont écartées lors du serrage du boulon. Les coins

de la coquille sont plaqués contre les parois du trou et la tige est mise sous

tension (précontrainte).

La mise en place du boulon est réalisée en serrant à un couple recommandé

par le fabricant l’écrou de serrage qui est situé sur la plaque.

Le choix de l’ancrage dépend de la nature de la roche et doit être choisi en

fonction de résultats d’essais préalables.

L’ancrage dépend des paramètres suivants :

• La qualité de la roche au niveau du point d’ancrage (Rc min.) : en dessous

d’une Rc de 10 MPa, il est nécessaire d’utiliser des coquilles spéciales. Le

boulonnage à ancrage ponctuel n’est, dans ce cas, pas recommandé

• La surface de la coquille en contact avec le terrain : elle évolue de manière

inversement proportionnelle à la résistance du terrain

• Le matériau qui constitue la coquille

• Les diamètres respectifs de la

coquille et du trou de foration

• Le serrage initial de l’écrou

L’ancrage ponctuel a pour principale qualité de produire un confinement immé-

diat après l’installation, et donc de procurer une mise en sécurité immédiate.

Sa mise en œuvre est simple et rapide.

Lors de la mise en œuvre, il convient de s’assurer du bon serrage du boulon

et faire en sorte que la plaque soit en contact intime avec le terrain. Le temps,

et/ou les vibrations dues aux tirs, peuvent produire un écaillage autour de la

plaque. L’efficacité du boulon devient nulle lorsque la plaque n’est plus en

contact avec le terrain.

Il convient de vérifier et/de resserrer la plaque, au moins une fois, lorsque c’est

possible.

4.2 - Scellement à la résine ou au coulis


La résine permet le scellement du boulon sur la totalité de sa longueur. Ce


4 - Ancrages-

noixcoin

tige

Fig. 20 - Principe de fonction nementd’un ancrage mécanique.

2 branches 6 branches3 branches

Fig. 21 - Exemples d’ancrage mécanique.


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type de scellement ne convient qu’aux rochers qui permettent un bon calibrage

du trou d’ancrage. Il existe des résines à temps de prise « rapide » et « lent ».

La résine est généralement fournie sous forme de cartouches qui contiennent

un catalyseur et un durcisseur (Fig. 22).

Actuellement, compte tenu des matériels disponibles, et de la forte viscosité

des résines, la mise en œuvre mécanisée des boulons scellés est couramment

réalisée jusqu’à 5 m de longueur, la limite étant imposée par la résistance de

la résine lors du malaxage.

La durée de durcissement des résines, donc du scellement, est classiquement

de 5 à 15 min (en fonction du produit et de la température). Il confère une effi-

cacité extrêmement rapide à ce type de boulon, ce qui est un élément de choix

important pour le type de boulonnage utilisé.

Les paramètres importants pour la pose de boulon à la résine sont :

• Le diamètre du trou de boulonnage et sa bonne tenue sur toute la longueur

• L’espace annulaire entre les parois du trou et la tige retenue (Fig. 23)

• Le nettoyage du trou, qui doit être débarrassé de tout résidu de forage

(cuttings)

• La profondeur du trou : une sur-profondeur du trou conduira à une consom-

mation accrue de résine et à un mauvais mélange

• Les charges de résine doivent être introduites et poussées en fond de trou,

et la position des charges dans le trou doit être contrôlée. Un parachute per-

met de retenir les charges de résine dans le trou dans l’attente de l’intro-

duction de la tige

• La mise en place du boulon doit suivre les recommandations du fournisseur.

Les différentes étapes de la procédure sont les suivantes (Fig. 24) :

- L’introduction de la tige, en faisant tourner la tige tout en la poussant

vers le fond de trou

- Le malaxage : maintien de la rotation de la tige une fois en fond de trou,

pour permettre un bon mélange résine/durcisseur

- Le serrage après prise de la résine

Avec un boulonneur automatisé l’introduction des cartouches dans le trou se

fait le plus souvent avec une « sarbacane » à air comprimé. Elle nécessite un

trou propre et libre de tout élément susceptible de blesser ou de faire obstacle

à la mise en place des cartouches. C’est souvent le point le plus délicat de la

chaîne de mise en œuvre.

Les paramètres suivants doivent être contrôlés :

• Le temps de malaxage qui dépend du type de résine : une durée insuffisante

ne permettra pas à la résine de durcir de manière convenable, mais un temps

de malaxage trop important nuira à la polymérisation de la résine et donc

au bon ancrage du boulon

• La vitesse de rotation doit être contrôlée et le temps de mélange adapté à

la vitesse envisagée

• La température de mise en œuvre influence le temps de prise de la résine

Le stockage des cartouches de résine doit être pris en compte dans l’instal-

lation et la gestion du chantier :

• La durée de vie en stockage est limitée : quelques mois au maximum à une

température moyenne de 20-25°C. Cette durée de stockage diminue en

s’écartant de cette température moyenne. Il est recommandé de prévoir une

rotation du stock.

• La température de stockage ne doit pas descendre en dessous de 0°C.

• Les cartouches doivent préférablement être stockées dans un endroit frais

et sec, à l’abri de la lumière directe du soleil.

• Dans les procédures de mise en œuvre, si la température du stockage diffère

trop de la température de mise en œuvre, il faut prévoir le temps pour que

la température de la résine atteigne la température de mise en œuvre.

• L'élimination des reliquats ou rebuts doit se faire dans des filières adaptées.

Les cartouches de résines sont livrées en cartons d’une vingtaine d’unité. Sur

les emballages, il est nécessaire d’avoir au moins les indications suivantes :

• Fournisseur/Origine

• Type de produit et contenance des cartouches individuelles

• Pictogrammes et phrases de sécurité le cas échéant

• Date de fabrication

• Date de péremption

• Numéro de lot

La résine peut être injectée sous

forme pompable pour certaines

applications.


Catalyseur

Résine

Fig. 22 - Cartouche de résine.

Diamètre du trou de forage D

Espace annulaire e

Diamètre de latige D

Fig. 23 - Espace annulaireentre le trou et la tige.

Fig. 24 - Étapes de mise en place d'un boulon à la résine.


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4.2.2 - Scellement au mortier ou au coulis

Ce produit de scellement se présente sous la forme de mortier cartouché, ou

de mortier sec en sac ou de coulis pompable.

Le mortier (cartouche ou sac) utilisé est à base de ciment à haute résistance

et à prise rapide. Pour le coulis le sable utilisé doit être fin pour permettre la

pompabilité. Le retrait de celui-ci devra être limité, à défaut d’être expansif.

Le coulis à base de ciment, d’adjuvants et d’eau est généralement plus liquide et

d’une mise en œuvre plus compliquée que le mortier. Il peut être préparé sur place.

Paramètres à contrôler pour la spécification d’un coulis ou d’un mortier :

• Le temps de prise doit être adapté au travail demandé

• La thixotropie du produit doit permettre le pompage

• Le produit doit être à retrait limité, voire légèrement expansif

• La protection contre la corrosion des aciers ne doit pas être attaquée par le

produit

• Les résistances mécaniques à la compression et à la flexion

4.2.2.1 - Mortiers d’ancrage pompésLes mortiers pompés sont des mélanges préparés spécifiquement pour le

chantier ou pré-mixés à sec, prêts à l’emploi, fournis par des formulateurs.

Les mortiers prêts à l’emploi sont adjuvantés et ont généralement des carac-

téristiques qui rendent la mise en œuvre plus aisée et améliorent la qualité de

l’ancrage : thixotropie, absence de retrait, pompabilité. Ils peuvent présenter

des durcissements rapides, permettant de mettre en tension les boulons après

4 ou 5 h selon les objectifs recherchés. À un jour, les résistances atteignent

15 à 35 MPa selon les produits.

Procédure standard de mise en œuvre :

a) Préparation du mortier :

- Gâchage du mortier en suivant les recommandations du fabricant,

notamment en ce qui concerne la quantité d’eau

- Malaxage

b) Injection du mortier à l’aide d’une pompe, en remplissant le trou du fond

vers la tête :

- Un flexible d’injection est introduit en fond de trou

- Le mortier injecté par la pompe pousse le flexible qui se déplace vers

l’extérieur. Une certaine résistance doit être opposée à la remontée du

flexible pour s’assurer du remplissage des vides et des interstices

c) Introduction des tiges par simple poussée de la tige :

- L’introduction du boulon permet la diffusion d’une certaine quantité de

mortier dans les éventuels interstices du terrain

- En fin d’opération, le mortier doit normalement ressortir en tête du bou-

lon par l’espace annulaire entre la tige et le trou

- Une cale en bois permet parfois de maintenir le boulon dans le trou pen-

dant la prise du scellement (pour les boulons subverticaux)

d) Serrage des boulons, après la prise du mortier : le temps de prise du mortier

dépend des caractéristiques du produit choisi et de la température de mise

en œuvre

L’injection ultérieure à la pose des boulons est également envisageable.

Les paramètres qui influent sur la mise en place des produits de scellement

sont :

• Le temps entre le gâchage et la mise en œuvre (max. 15 à 20 mn), qui dépend

de la température ambiante et de la température de l’eau de gâchage

• Le temps entre l’injection et la pose de la barre du boulon

• La température ambiante de mise en œuvre et la température du rocher.

Pour des températures trop basses (inférieures à 5°C) la mise en œuvre est

déconseillée

• Le dosage en eau

4.2.2.2 - Composition des mortiers de chantierPour des mortiers basiques préparés sur le chantier, le dosage pondéral est

le suivant :

• 1 ciment

• 1 sable (0-3 mm ou moins)

• 0.3-0.35 eau/ciment (E/C)

Il est possible d’obtenir des mortiers présentant de fortes résistances aux

jeunes âges en utilisant des liants hydrauliques à prise rapide (type Vicalpes®),

ou du ciment prompt.

Exemple de composition d’un mortier avec une prise à 1 heure dite "rapide" :

• Sable 0-2mm : 55%

• Filler : 11%

• Vicalpes® R 17%

• CEM I 52.5 R 17%

• Eau

• Adjuvants

La résistance de ce mortier est de 6 MPa à 3h et de 18 MPa à 24h.

4.2.2.3 Mortiers d’ancrage en cartouchesLes cartouches contiennent un mortier sec prêt à l’emploi et sont conditionnées

dans un emballage perméable qui permet l’absorption de l’eau. Leur utilisation

est réservée aux travaux de boulonnage limité en quantité et pour des boulons

de faible longueur. Ces cartouches sont mises en place par bourrage (bourroir).

Les boulons sont ensuite introduits par simple poussée.

4.3 - Boulons à friction à expansion hydraulique

Ces boulons sont des tubes repliés sur eux même, qui sont introduits dans le

trou et gonflés à l’eau sous pression.

La pression de gonflement pour la mise en place est de l’ordre de 30MPa, il

convient de vérifier sa compatibilité avec la qualité de la roche. Dans tous les


Type de mortierTemps de prise

(à 20°C)Rc 2 h Rc 1 j Rc 28 j

Rapide 28 - 30 min 5 -10 MPa 20 - 35 MPa 35 - 70 MPa

Standard 1 - 2 h 25 - 40 MPa 35 - 70 MPa

Lent 4 - 8 h 25 - 40 MPa 35 - 70 MPa


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cas, elle doit impérativement être définie et décrite dans les procédures de

boulonnage de chantier (essais préalables).

Les pompes de gonflage doivent être contrôlées et régulièrement révisées.

Procédure d’installation du boulon (Fig. 25) :

• Foration du trou

• Insertion du boulon dans le trou, connecté à la lance d’injection

• Gonflage, durée de 30 s à 1 min

• Fin de l’installation

Paramètres qui influencent l’ancrage :

• Qualité de l’acier utilisé : il existe deux qualités principales de boulons de

type Swellex® (gamme standard et gamme au manganèse)

• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons avec un revê-

tement anticorrosion

• Qualité de la fabrication du tube et des soudures d’extrémité

• Pression d’injection d’eau

• Qualité de la roche dans le terrain : ce type de boulon est adapté aux terrains

dont la résistance est compatible avec la pression de gonflage. Dans les

autres terrains, on utilise des manchons pour éviter l’endommagement du

terrain, au voisinage de la tête de trou

• Diamètre de foration contrôlé pour chaque type de boulon et en fonction des

recommandations du fournisseur

4.4 - Boulons à friction enfoncés par percussion (à force)

Ces boulons à friction sont constitués d’un tube en acier à haute limite

élastique, ouvert le long d’une génératrice sur toute la longueur du tube.

Caractéristiques du boulon à friction :

• Mise en place simple (par percussion au marteau)

• Système actif et dynamique de renforcement par friction. Le boulon contrôle

la dilatation des terrains de par ses fortes capacités à l'allongement et au

cisaillement sans rupture

• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons galvanisés

à chaud

• Couramment, sa longueur est limitée à 4 m environ

Procédure de mise en œuvre (Fig.26) :


• Insertion du boulon équipé de sa plaque dans le trou

• Le marteau est mis en place et le boulon est enfoncé à force dans le trou.

Il convient de maintenir la poussée jusqu’au contact de la plaque au

parement.

Paramètres pour assurer une bonne mise en place des boulons à friction :

• Le diamètre de foration doit être contrôlé et respecter les recommandations

du fournisseur

• Les caractéristiques du terrain : ce type de boulon montre son efficacité dans

les terrains fracturés où il permet de maintenir les blocs entre eux

• La qualité de l’eau dans le massif influence la durabilité du boulon

La mise en place du boulon est relativement simple, ce qui est son principal

avantage.

4.5 - Ancrage mixte

Il existe plusieurs combinaisons de boulons d’ancrage mixtes. Le but est géné-

ralement d’obtenir les avantages d’un ancrage immédiat garanti par une

coquille d’expansion, et la résistance à long terme d’un boulon à ancrage

réparti.

Il est le plus souvent une combinaison d’ancrage ponctuel et réparti, mais

d’autres combinaisons existent, telles que :

• Ancrage ponctuel + injection de résine ou de ciment entre trou et boulon

• Friction + injection de ciment dans le tube du boulon

4.5.1 - Ancrage ponctuel + Injection de ciment

Il est possible d’obtenir à la fois les avantages de l’ancrage mécanique et de

l’ancrage réparti en utilisant des boulons à ancrage mécanique et en injectant

a posteriori dans le trou de boulonnage une résine ou un coulis de ciment.


Fig. 25 - Mise en place d'un boulon à friction à expansion hydraulique.

© A

tlas C

opco

Fig. 26 - Mise en place d'un boulon à friction enfoncé à force.

© M

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Forage- 35 à 38 mm (SS39)- 41 à 46 mm (SS46)

Mise en place

Boulon installé- forces radiales- forte pression

de plaque


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Certains types de boulons possèdent une tige creuse dans laquelle le produit

de scellement peut-être injecté (comme pour les autoforeurs) entre barre et

ancrage ponctuel et terrain. D’autres boulons (CT Bolts®) permettent d’injecter

le produit de scellement entre une gaine PVC et la tige du boulon jusqu'à la

tête de l’ancrage (Fig. 27).

4.5.2 - Friction + injection ou remplissage de ciment

Le boulon à friction enfoncé à force (§ 4.4) peut être injecté avec un mortier

ou coulis après mise en œuvre.

Il existe également une variante de type de boulon à friction enfoncé par per-

cussion pouvant recevoir des cartouches contenant un liant à base de ciment

légèrement expansif (Fig. 28). Lors de sa prise, le ciment produit une pression

sur le tube qui constitue le boulon, et renforce son matriçage dans le terrain,

augmentant ainsi l’effort nécessaire pour faire glisser l’ancrage (10 à 15 t/m).

4.6 - Boulons autoforeurs

4.6.1 - Boulons en acier

Les boulons autoforeurs sont constitués de tiges creuses, équipées en extré-

mité (pied) d’un taillant perdu. Après foration avec retour du fluide de foration

par le vide annulaire, on injecte un coulis par la tige qui assure le scellement

du boulon.

Ces systèmes sont directement mis en lieu et place de la barre de foration et

du taillant. Ils sont conçus pour être mis en place avec un matériel de roto per-

cussion courant.

L’ancrage étant du type réparti, les facteurs qui influencent la qualité de

l’ancrage seront les mêmes avec certaines difficultés supplémentaires : le

diamètre du taillant doit être suffisamment petit pour que l’espace annulaire

permette un bon scellement au mortier ou au coulis, néanmoins il doit être

suffisant pour s’assurer de la bonne évacuation des cuttings.

Fig. 28 :- Exemple d'ancrage mixte (friction + injectionde ciment) type Split Set® injecté.

Il est possible de forer à l’eau, à l’air ou bien au coulis.

Bien que cela ne soit pas répandu, il est possible d’envisager

un scellement avec une résine pompable.

Procédure d’installation (Fig.29) :

• Foration du trou avec la tige du boulon

• Addition éventuelle d’une longueur par utilisation d’un manchon

• Injection

• Mise en place de la plaque

4.6.2 - Boulons en fibres de verre

Des boulons autoforeurs en fibre de verre sont disponibles. Leurs principaux

avantages :

• Ils sont injectables

• Leur poids est faible

• Ils sont insensibles à la corrosion

• Ils sont facilement destructibles, et donc bien adaptés pour le soutènement

provisoire dans les zones dans lesquelles il faudra ensuite excaver.

Ils sont mis en œuvre en mode de foration rotative.

4.6.3 - Boulons autoforeurs à friction

Ce type de boulon fonctionne comme un tubage à l’avancement, mais dans

ce cas le tubage est fendu, comme dans le cas du boulon à friction enfoncé

à force type Split Set®. Le marteau, utilisé pour la foration, force également

le tubage dans le trou qui procure un ancrage par friction immédiat dès son

installation (Fig. 30).


Fig. 27 - Exemple de mise en place d'un boulon à ancrage mixte type CT Bolt®.

© A

tlas C

opco

Fig. 29 - Installation d'un boulon autoforeur.

Fig. 30 - Procédure de mise en place d'un boulon autoforeur à friction (DSI®).

Power Set drill bit

AT - Pc

Power Setdrill

Power Set adapte


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Dès lors qu'un type de boulonnage est retenu, l'entreprise se doit de respecter

un certain nombre de dispositions pour que la mise en œuvre des éléments

de boulonnage se déroule avec le maximum de sécurité.

Le boulonnage doit être réalisé après la purge des parois et du front voire

après l’application d’une première couche de béton projeté de confinement.

5.1 - Textes de référence

Le "Guide des bonnes pratiques pour la Sécurité et la protection de la Santé

lors de travaux souterrains" édité par la CARSAT-RA est un document de réfé-

rence sur lequel le maître d'ouvrage, le maître d'œuvre et l'entreprise s'ap-

puieront pour rédiger les documents de conception et de chantier relatifs à la

sécurité (PGC, PPSPS, Procédures…).

Rappel de la logique à respecter pour la mise en œuvre des PGP (Principes

Généraux de Prévention) tels qu'ils sont définis par l'article L 4121-2 du Code

du Travail :

• éviter les risques professionnels et d'environnement

• évaluer au mieux les risques qui ne peuvent être évités

• privilégier la protection intrinsèque en recherchant des modes opératoires

adaptés aux lieux de travail, en utilisant des matériels adéquats et en veillant

toujours à respecter la règle suivante qui consiste à adapter le travail à

l'homme et non l'inverse

• toujours privilégier la protection collective et à défaut mettre en place des

protections individuelles adaptées

• assurer la formation du personnel vis-à-vis des risques qu'ils sont suscep-

tibles de rencontrer

5.2 - Evaluation et analyse des risques

Le soutènement par boulonnage présente différents risques. Leurs sources

sont multiples depuis l'approvisionnement des matériels et matériaux jusqu'à

la mise en place du soutènement sans oublier la phase "contrôles". Elles résul-

tent essentiellement de la mise en place des soutènements et de la surveillance

de leur comportement.

En effet, les risques liés au terrain sont à prendre en compte car l'excavation

non encore soutenue présente de graves dangers notamment la chute de blocs.

L'analyse de l'activité "boulonnage" démarre dès l'approvisionnement desmatériaux et des matériels, phase au cours de laquelle les ouvriers font des

tâches répétitives de manutention demandant parfois des efforts physiques

pouvant entraîner de mauvaises postures. L'implantation des zones de livraison

et de reprise des matériaux sera faite de manière à ce que les manœuvres et

circulations ne génèrent pas d'accidents de la circulation.

La phase foration peut être à l'origine de plusieurs risques dont certains sont

liés au matériel. Il peut s'agir :

• de coincement de main ou de doigt par exemple lors de la mise en place de

tige ou changement de taillants

• de chocs impulsifs liés aux vibrations produites par des marteaux perfora-

teurs

Le manque d'éclairage tout comme le sur-éclairement des zones de travail

peut engendrer des situations à risques. Pendant la foration, le bruit et la

poussière émis par l'engin de foration insuffisamment équipé peuvent être

source d'inconfort et de maladies professionnelles pour les ouvriers.

La phase de mise en place du boulon présente des risques communs à tous

les types de boulons et d'autres spécifiques au type de boulons mis en œuvre.

La manutention du boulon et sa mise en place dans le trou de foration peuvent

entraîner des blessures aux mains et des chocs du fait de l'emploi de masses.

Pour les boulons de voûte, le travail à partir d'une nacelle peut être à l'origine

de chutes de pièces diverses sur les zones inférieures.

La mise en place des boulons à ancrage réparti scellés présente des risques

liés à l'emploi de pompe à injection. La préparation des produits de scellement

peut entraîner des risques de brûlures cutanées, d'inhalation voire d'ingestion

de poussières (fines). Ensuite, lors de l'injection, des ruptures de flexibles

peuvent se produire entraînant les mêmes risques que lors de la préparation.

Lors de la mise en place des boulons à ancrage ponctuels, les risques sont

essentiellement liés à la manutention des accessoires comme la mise en place

des coquilles d'ancrage et des plaques et écrous de serrage.

Pour les ancrages à friction, les risques dépendent du type du boulon. Les

boulons dont l'efficacité n'est effective qu'après leur gonflage à l'eau tout

comme les boulons entrés à force dans le terrain présentent les risques liés

aux matériels utilisés pour la mise en place : pompe d'injection d'eau pour les

premiers, engin de frappe pour les seconds.

5.3 - Mesures à prévoir

Les mesures à prévoir pour la surveillance du comportement des boulons, que

ce soit pendant la phase excavation ou au cours de la vie de l'ouvrage lorsque

le soutènement reste apparent, relèvent des contrôles.

Les acteurs de la construction (prescripteur - MOA, MOe, coordonnateur SPS,

et les entreprises) ainsi que les gestionnaires d'ouvrages se référeront au

paragraphe "6.4 de la présente recommandation - "Surveillance des boulons"

en cours de chantier.

Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au terrain sont :

• Surveillance du terrain : affectation d'une personne chargée de l'auscultation

des soutènements

• Purge systématique préalable en privilégiant la purge mécanisée

Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au matériel durant la foration sont :

• Mettre en place les formations à l'utilisation et à la maintenance des engins

de foration


5 - Sécurité de la phase boulonnage-


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• Sécuriser les nacelles conformément à la réglementation et à leur utilisation

spécifique

• Mécaniser au maximum les tâches (lorsque la section et le nombre de

boulons à mettre en œuvre le permettent) : livraison des boulons, change-

ment de tige et barres de forage

• Prévoir, si la foration est effectuée manuellement, des supports permettant

de reposer le matériel (poussoir) et aménager l'espace de travail au pied de

la paroi à boulonner pour éviter toute chute de personne

• Eviter les circulations de personnel à proximité : pour se prémunir du risque

de heurt et de happage du personnel situé au voisinage de la machine de

foration lors d’un mouvement brusque de la glissière, il est nécessaire de

définir un périmètre de sécurité autour des machines ainsi que certaines

règles de bonne entente afin d’attirer l’attention du chauffeur lorsque

quelqu’un doit passer dans son rayon d’action

• Éviter de générer de la poussière et toute projection de matériaux : privilégier

le forage à l’eau ou au mélange air/eau. Dans les terrains pulvérulents ou

dont la nature présente des risques pour la santé, mettre en œuvre un

dispositif de captage des poussières et de ventilation de la zone de travail.

• Relativement au bruit : privilégier les matériels électrohydrauliques et inso-

norisés, sans préjudice du port des EPI.

Les mesures à prévoir vis-à-vis des risqués liés à la mise en place du boulon

sont :

• Privilégier l'emploi de robot de boulonnage

• Si le boulonnage est réalisé manuellement, mettre en place les formations

adaptées aux types de boulons

• Porter des EPI (Equipements de Protection Individuels) adaptés


6.1 - Principes de contrôle

Pour s’assurer de la qualité et de l’efficacité du boulonnage, plusieurs types

de contrôles et d'essais peuvent être effectués à différents stades.

On distingue :

• des essais préalables réalisés au stade du projet pour valider le système de

boulonnage envisagé, notamment son dimensionnement par rapport à la

qualité des terrains à boulonner (des essais qui peuvent aller jusqu’à l’ar-

rachement du boulon d'essai)

• des épreuves de convenance, avant travaux, pour vérifier l’adéquation du

système de boulonnage choisi avec le matériel de mise en place et les condi-

tions in situ, notamment de terrain

• à leur arrivée sur le chantier, le contrôle systématique des différents consti-

tuants (boulons et scellements) ainsi que celui des matériels de mise en

œuvre

• des essais de contrôle réalisés en cours d’exécution sur les ancrages appar-

tenant au dispositif de soutènement, pour en vérifier l’efficacité

Il est possible également d’ausculter des boulons dans le temps, en plaçant à

poste fixe des cellules dynamométriques à la tête de l’ancrage entre plaque et

écrou, et de relever périodiquement la déformation à l’aide d’un comparateur.

Ces contrôles et essais sont développés dans les paragraphes qui suivent.

6.2 - Contrôle des constituants

La qualité des différents constituants du boulonnage (boulons, coquilles d’ex-

pansion, taillants de l’autoforeur, et autres accessoires) et du matériel de mise

en œuvre sera contrôlée :

• par la vérification, dans la procédure d’agrément, des essais réalisés en

laboratoire par le fournisseur (limite élastique, limite de rupture, allongement

à la rupture, notamment des tiges…). Sur le chantier, il convient de vérifier

à la livraison les PV de contrôle du fournisseur

• à la réception et à la mise en place : diamètre, longueur, filetage, tête et

pointe, absence de rouille, de graisse… :

- pour les tiges en HA dont les diamètres sont prévus par les normes

AFNOR (14 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40) et donc faisant l'objet du certificat

d'homologation, il est absolument indispensable que la fourniture soit

accompagnée de la fiche descriptive en cours de validité relative NF

AFCAB de l'acier fourni

- pour les tiges en HA dont les diamètres ne sont pas prévus par les

normes AFNOR (18 - 22 - 26 - 28 - 30 - 34, etc.), il est indispensable

que la fourniture soit accompagnée du certificat de l'aciérie produc-

trice ; ce document indiquera les données qui identifient le produit

(numéro de la coulée, analyse chimique, etc.) et aussi les valeurs

limites d'élasticité (Re, act), les valeurs de résistance à la traction

(Rm) et leurs "Rapport" relatifs, et enfin l'allongement total (Agt

exprimé en pourcentage) ; le tout selon les normes NF A 85-080-1

(2010-10)

- pour les boulons à friction, il convient de contrôler le marquage spécifique

à chaque boulon permettant sa traçabilité, selon la norme concernée

- Toutes ces valeurs déterminent les caractéristiques mécaniques de

l'acier

• la qualité de l’eau et du sable utilisés pour les mortiers

• les conditions de stockage des différents constituants

En ce qui concerne les produits de scellement (résine, coulis, mortier), on

vérifiera :

• pour les résines : l’état des cartouches à la réception, la limite de péremption

(généralement de quelques mois), les conditions de stockage, les vitesses

de polymérisation

• pour les coulis et les mortiers : les résistances à la compression à 7 j et

à 28 j, la viscosité, les temps de prise : 6 éprouvettes en sortie de lance

d’injection à chaque poste

• pour les mortiers en cartouche : l’état des cartouches à la réception, les

conditions de stockage

6 - Contrôle du boulonnage-


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Il convient de se prémunir des risques de contrefaçons :

• Traçabilité

• Marquage

• Système de normalisation

• Certificat de conformité

Par ailleurs, il convient de s'assurer que le contrôle qualité concerne toute les

étapes de la fabrication du boulon et que les boulons d'essais sont les mêmes

que ceux mis en œuvre.

6.3 - Modes opératoires des essais de traction et d'arrachement sur boulons

Concernant les essais de contrôle des boulons scellés au mortier :

Le résultat de l'essai sera non seulement fonction de la prise du coulis de

scellement mais aussi de la convergence et du "serrage" du boulon suivant

l'augmentation de la contrainte orthoradiale.

L'essai doit donc être fait lorsque la vitesse de convergence est faible :

• sous faible couverture : 3 mm/jour

• sous forte contrainte: 1-2 cm/jour

6.3.1 - Principes généraux des essais sur boulons

Les essais de traction et d’arrachement sur boulons sont réalisés généralement

à l’aide d’un vérin creux qui permet de tirer sur la tête du boulon en s’appuyant

sur la paroi rocheuse aux alentours de la plaque d’appui de l’ancrage (Fig. 31).

Pour les boulons à ancrage mécanique, les essais peuvent être réalisés à l’aide

de la clef dynamométrique qui sert à les mettre en tension.

Le déplacement de la tête du boulon est mesuré à l’aide d’un comparateur,

ce qui permet de tracer la courbe effort–déplacement caractérisant le

comportement du boulon et de son ancrage.

La mise en tension se fait par paliers. A chaque palier, on mesure l’évolution

du déplacement ou la perte de tension, s’il y en a, qui définit une limite de

fluage (ou de ripage) de l’ancrage. On peut ainsi définir une résistance de pic

et, dans certains cas, une résistance résiduelle.

Les essais préalables et les essais de convenance sont à réaliser sur des

ancrages spécifiques n’appartenant pas au dispositif de soutènement de l’ou-

vrage ou ne participant pas à la stabilité de l’ouvrage en service.

Pour les soutènements à l’air libre, les essais préalables et les essais de conve-

nance sont généralement destructifs afin de mesurer la résistance du

scellement nécessaire au dimensionnement du soutènement. En revanche, en

souterrain, les essais préalables et de convenance ne le sont pas nécessaire-

ment. Ils sont alors réalisés de la même manière que les essais de contrôle,

dans les mêmes conditions de boulons et de terrain que celles de l’ouvrage

pour lequel ils sont prévus (voir ci-après).

Dans certains cas cependant, le Maître d’Œuvre peut demander des essais

destructifs afin d’évaluer la résistance Tu (en kN) de l’ancrage dans le terrain,

qui est fonction généralement de la longueur d’ancrage (ou qs exprimé en kPa

qui est le frottement latéral limite conventionnel).

Le nombre d’essais à réaliser par type d’ancrage et par type de conditions

géologiques est à fixer dans les prescriptions du marché. La résistance

moyenne est souvent définie à partir d’un minimum de 5 essais par type

d’ancrage et par type de conditions géologiques car une assez grande disper-

sion est habituellement observée.

Les essais préalables et les essais de convenance donnent lieu à un rapport

d’essai.

Les essais de contrôle sont à réaliser sur des ancrages appartenant au

dispositif de soutènement de l’ouvrage. On vérifie que l’ancrage résiste à une

traction d’essai Te définie à la conception qui est fonction de la traction limite

de service Ts du boulon (généralement Te = Ts ou plutôt 1,2 x Ts).

Pour un ancrage dont l’efficacité doit être immédiate, le contrôle doit se faire

rapidement après sa mise en place.

Pour les boulons scellés au mortier ou à la résine, le contrôle doit se faire dès

lors que la prise du scellement le permet (7 ou 28 jours pour le mortier, 8 ou

24 heures pour la résine selon les indications du fournisseur et selon les

prescriptions du marché).

Des contrôles différés peuvent également être prévus pour vérifier la pérennité

d’un ancrage (voir § 6.4).

6.3.2 - Normes et recommandations

Pour les ancrages scellés au rocher (mortier ou résine), la procédure d’essai

en arrachement comme en contrôle est décrite par la norme XP P 94-444

(décembre 2002) – Essai statique d’arrachement, sous un effort axial de trac-

tion, d’un ancrage scellé dans un massif rocheux – Essais par paliers :

• Les boulons sont mis en traction par incréments de charge et/ou de dépla-

cement et les mesures sont faites à chaque incrément, lorsque charge et

déplacement sont stabilisés (en notant le temps de stabilisation). Les paliers

sont fixés à 5 minutes.

• Le programme d’essai à la rupture comporte 2 cycles de chargement/déchar-

gement par paliers, le 1er cycle jusqu’à la tension limite estimée de l’ancrage

et le 2 ème cycle jusqu’à 2 fois cette tension. L’essai donne l’effort de traction

limite Tu associé à la longueur L de l’armature scellée dans le matériau

rocheux.


Fig. 31 - Dispositif d’essai de traction.


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• L’essai de contrôle (Fig. 32), lui, est réalisé en un seul cycle de chargement

en cinq paliers de 5 minutes jusqu’à atteindre Te puis en effectuant un

déchargement en trois paliers de 1 minute. Il peut également être demandé

de maintenir le dernier palier Te plus longtemps (20 ou 30 minutes) avant

de procéder au déchargement contrôlé. L’essai est dit concluant si la résis-

tance moyenne des essais est supérieure soit à Ts, soit à 1,1 fois Ts (selon

les prescriptions du marché).

La recommandation de l’ISRM et la norme ASTM suivent des méthodologies

similaires. Elles y sont décrites jusqu’à l’arrachement de l’ancrage. Leurs réfé-

rences sont les suivantes :

• ISRM – Suggested Method for Rockbolt Testing (1975),

• ASTM D 4435-84 (reapproved 1998) – Standard Test Method for Rock Anchor

Pull Test.

Dans le cas des essais à la rupture, des dispositions doivent être prises

pour :

a) éviter la cassure de l’armature sous l’effet de traction maximale :

- par le choix d’une section suffisante

- et/ou en limitant la longueur de scellement ; cette dernière doit cepen-

dant être suffisante pour englober les hétérogénéités du terrain

b) limiter les effets de bord :

- soit par la réalisation d’une longueur libre minimale lors du scellement

du clou (de l’ordre de 1 m dans le sol, 0,5 m au rocher)

Un contrôle de la longueur non scellée des ancrages est réalisé en introduisant

une tige dans l’espace annulaire libre de tout scellement.

- soit en disposant d’un bâti d’essai prenant appui au terrain autour de la

tête du clou, mais dont tous les points de la surface d’appui se trouvent

néanmoins à plus de 0,3 m des bords du trou

c) pour les boulons scellés au rocher (au mortier ou à la résine), l’essai inter-

vient après un délai minimum de prise du scellement (7 à 28 jours pour du

mortier, ou 8 à 24 heures pour de la résine selon les indications du fournis-

seur et selon les exigences du marché)

Les essais d’arrachement sur les boulons à friction se réalisent de la même

manière. Ils se font immédiatement après leur mise en place (se reporter aux

indications du fournisseur). Des essais à plusieurs longueurs de boulon (3 mini-

mum) permettent une évaluation plus fiable de la valeur du frottement limite

qs. La valeur de qs peut croître sous l’effet des mouvements de terrain autour

de l’excavation.

En dehors des boulons en tunnel, objets de la présente recommandation, il

existe d’autres procédures d’essai concernant les micropieux et les clous ou

ancrages au sol meuble, où la notion de fluage est ajoutée à la notion de trac-

tion de rupture, ainsi que les tirants d’ancrage. Ces essais visent généralement

à déterminer une valeur de frottement latéral limite qs nécessaire au dimen-

sionnement des ouvrages concernés (stabilité des talus cloutés, fondations…

) mais peuvent aussi concerner les ouvrages souterrains :

• Ouvrages de grandes dimensions

• Travaux nécessitant un contrôle strict des déformations

• Proximité d’ouvrages existants

• Roche argileuse

• …

Ces procédures sont citées ici pour mémoire :

• Recommandations CLOUTERRE 1991

• Essais de traction à déplacement contrôlé (vitesse constante)

• Essais de traction à effort contrôlé (paliers de fluage)

• Norme NF P 94-242-1 (1993) – Essai statique d’arrachement de clou soumis

à un effort axial de traction – Essai à vitesse de déplacement constante

• ISRM - Suggested Method for Rock Anchorage Testing (1985)

• Norme NF P 94-153 (1993) – Essai statique de tirant d’ancrage

• Chapitre 6 des recommandations TA 95

• NF EN 1537 – Exécution des tirants d’ancrage : plusieurs méthodes d’essais

proposées au § 9 et en annexe E

6.4 -Surveillance des boulons en cours de chantier

En phase d’excavation, à une distance en arrière du front qui est fonction des

vibrations engendrées par les tirs d’explosif, ou sous l’effet d’un glissement

de l’ancrage, il convient de vérifier le serrage des écrous et de procéder, si

nécessaire, à un resserrage systématique de l’ensemble des boulons à ancrage

ponctuel. Ce type de contrôle est également souhaitable avant la mise en place

des dernières passes de béton projeté ou avant la mise en place de l’étanchéité

ou du revêtement selon le cas.

Les boulons dont la tête casse sont à changer ou à remplacer par un autre

moyen de soutènement.

Pour mémoire, il est possible de suivre l’évolution dans le temps de la tension

d’un boulon en interposant entre la tête du boulon et le rocher, soit une cale

dynamométrique, soit une cellule de chargement.

Un contrôle global du système de soutènement que constitue le boulonnage

associé ou non à du béton projeté est réalisé notamment par les mesures de

convergence dans le cadre de la méthode de "conception interactive" ancien-

nement dénommée "méthode observationnelle". En cas de détection d’un

comportement jugé anormal, il peut s’avérer nécessaire de procéder à un ren-


Fig. 32 - Essai de contrôle. Programme de chargement – déchargement (selon XP P 94-444).

T Force de tractionTe Force de traction imposée par le contrôlet Temps, en minutesP Phase préparatoire de l’essai


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forcement du système de boulonnage (augmentation de la densité, du diamètre

et/ou de la longueur des boulons, réduction du délai de mise en œuvre par rapport

à l’avancement du front, choix d’un autre type de boulon…), ou à une modifi-

cation complète du système de soutènement (cintres lourds par exemple).

Si, à la mise en tension d’un boulon à ancrage ponctuel ou après un certain

temps, il se produit un écaillage ou un délitage de la roche et que le contact

de la plaque d’ancrage n’est plus assuré avec le terrain, le boulon devenu inef-

ficace doit alors être remplacé.

Dans les ouvrages où le soutènement reste apparent, il est indispensable pour

assurer la pérennité du soutènement que l’entreprise jusqu'à la réception de

l'ouvrage, ou le Maître d’ouvrage au cours de la vie de l’ouvrage, procède à des

actions de surveillance périodiques et réalise ensuite les actions adéquates.

Les circulations d’eau, surtout si elles sont particulièrement agressives, peu-

vent entrainer la rouille de l’acier qui diminue l’efficacité du boulon et de son

ancrage. Il est d’ailleurs recommandé d’avoir recours dans ce cas à des pro-

duits protégés contre la corrosion, ou à mettre des boulons à ancrage réparti,

ou encore à sceller sur toute leur longueur les boulons à ancrage ponctuel

après leur mise en tension, à protéger la plaque et l’écrou. Néanmoins ces

précautions ne dispensent pas des contrôles périodiques.


Légende

++++ Recommandé

+++ Bon

++ Moyen

+ Passable

o Non recommandé

A vérifier

Traction : Aptitude à retenir ou porter : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon

Cisaillement : Résistance aux mouvements latéraux : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon

Terrain fracturé : Terrain avec un RQD faible : risques de coincement

Action : Action immédiate ou différée

Eau : Débit du forage

Etanchéité ou drainage recherché

R : Résine aqua-réactive t

* Boulon "coulissant" qui, aprés un glissement, conserve une efficacité

7 - Matrice d’interprétation-

Ce tableau est donné pour aider au choix en matière de boulonnage, il n'intègre pas le coût des fournitures et accessoires

BOULONS

DONNÉES

Boulons àancrageponctuel

Boulons à ancrage réparti Boulonsmixte

(ancrageponctuel +scellement)

Boulonshybride

(ancrage àfriction +

scellement)

Boulons Type"Cone

Bolt®" *

Boulons autoforeurs

Boulons à FrictionBoulons

Fibre de Verre

Boulons Carbone

Scellementmortier

Scellementrésine

Type "MinovaSDA®"

"Alwag" type ATPower®

Type "Swellex®"

Type "Split Set®"

Traction +++ ++++ ++++ ++++ +++ ++ +++ ++ +++ +++ ++ ++

Cisaillement + ++++ +++ +++ ++ ++++ +++ ++ ++ +++ ++ ++

Terrain fracturé ++ ++ + ++ +++ +++ ++++ +++ ++ ++ ++ ++

Forabilité terrainmédiocre

o + + o o + ++++ ++++ + o + +

Caractère permanent

+ ++++ +++ ++++ +++ ++++ +++ o ++ ++ + ++

Action immédiate ++++ o +++ ++++ ++++ +++ ++ ++++ ++++ ++++ +++ +++

Action différée ++ +++ ++++ +++ +++ ++++ ++ +++ +++ +++ +++

Gêne due à la présence d'eau

++++ + +++ R ++ ++ ++ + ++++ ++++ +++ ++ R ++ R

Drainage d'eau ++++ ++ + ++ + ++ ++ +++ ++ ++++ ++ ++

Etanchéité à l'eau o ++ +++ R ++ ++ ++ ++ o + + ++ ++

Temps de mise en œuvre

++++ ++ +++ +++ ++ +++ +++ ++++ ++++ +++ +++


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Le boulonnage, dont la technologie est l’objet de cette recommandation,

constitue l’un des éléments les plus fondamentaux intervenant dans les tech-

niques de soutènement des tunnels principalement réalisés par méthode

conventionnelle.

Cette recommandation traite (Fig. 1) :

• du boulonnage radial, voûte, piédroits, radier

• du boulonnage de front (longitudinal)

• du boulonnage par enfilages longitudinaux obliques

Le boulonnage peut être complété par d’autres moyens de soutènement :

cintres, béton projeté, treillis…

Elle se limite aux travaux utilisant des matériels courants. Les technologies

spécifiques faisant appel à des matériels particuliers comme les boulons de

très grande longueur (au-delà de 15m, câbles ou tirants) ne sont pas traitées.

La longueur des boulons radiaux est en générale comprise entre 1/3 et 1/2 de

la plus grande ouverture transversale de l’excavation. De ce fait, pour des

ouvrages classiques, leur longueur n’excède pas 6 m. Pour le boulonnage

longitudinal, la longueur des boulons se situe classiquement entre 8 et 15 m.

D’une manière générale cinq grands types de boulons sont à distinguer :

1.1 - Boulons à ancrage ponctuel

Le boulonnage à ancrage ponctuel consiste à relier le plan de la surface excavée

à un point profond de roche intacte. L’ancrage est généralement assuré par un

dispositif mécanique (Fig. 2) mais peut occasionnellement être associé à un

scellement de la barre en fond de trou par résine.

Classiquement, l’ancrage en fond de trou s’obtient par un blocage d'une coquille

d'expansion sur la paroi du trou suite à l’enfoncement d’un coin par traction

mécanique obtenue par vissage. La mise en tension du boulon par précontrainte

– induite par serrage de l’écrou de tête ou par expansion ou décompression

des terrains – est indispensable pour obtenir une efficacité optimale de ce sys-

tème de soutènement.

L’avantage majeur du boulonnage à ancrage ponctuel est sa mise en œuvre

rapide ainsi que son efficacité immédiate. Cette efficacité ne se maintient cepen-

dant dans le temps que si la roche ne flue pas au voisinage de l’ancrage.

Ce type de boulon peut de plus être mis en œuvre en cas de venues d’eau dans

le forage.

Les caractéristiques standard sont des diamètres de 16 à 20 mm pour des

longueurs comprises entre 1,50 et 3,00 m.

1.2 - Boulons à ancrage réparti

Le boulonnage à ancrage réparti consiste à sceller des barres métalliques (ou

autres) sur toute leur longueur dans le trou d’ancrage. Le produit de scellement

est généralement de la résine, du mortier de ciment ou du coulis (Fig. 3).

Le scellement réparti sur toute la longueur du trou d’ancrage garantit une bonne

pérennité du boulon.


La résine est généralement introduite sous forme de cartouches dans le trou

d’ancrage.


1 - Introduction : définition et typologie du boulonnage-

Vissage sur la plaque

noix coins

Fig. 2 - Schéma du boulon à ancrage ponctuel.

Vissage dans la noix

écrou

barre

Plaque d’appui simple

Fig. 3 - Schéma du boulon à ancrage réparti.

Boulonnage radial Boulonnage longitudinal du front

Boulonnage longitudinal, enfilage

Fig. 1 - Schéma des différents types de boulonnage utilisés.


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Ce type de scellement est habituellement utilisé pour des boulons jusqu’à 4 m

de longueur, son efficacité est de l’ordre de 5 à 15 minutes.

1.2.2 - Scellement au mortier

Ce scellement consiste à enfoncer le boulon dans le trou d’ancrage préalable-

ment rempli d’un mortier thixotropique permettant la tenue de ce mortier même

dans les trous verticaux forés en voûte ainsi qu’un très bon remplissage du trou

de forage.


inférieure à 5m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du

mortier.

1.2.3 - Scellement au coulis

Ce scellement consiste à injecter au coulis le boulon après sa mise en place

dans le trou de forage par l'intermédiaire d'un tube ou flexible attaché à la tige.


supérieure à 5 m. Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du

coulis.

1.2.4 - Cas particulier des boulons autoforeurs (Fig. 4)

Ce type de boulons consiste en une tige métallique creuse munie en son extré-

mité d’un taillant perdu utilisé pour la foration du trou d’ancrage. Le scellement

est effectué en injectant le produit de scellement par l’intérieur du boulon.

Le boulon autoforeur convient particulièrement aux terrains fracturés et pour

des grandes longueurs d’ancrage.

Son efficacité est différée en fonction du temps de prise du produit de scellement

(coulis de ciment, mortier ou résine).

Ce type de boulon est également utilisé pour les enfilages.

1.3 - Boulons mixtes

Le boulon mixte (Fig. 5) est un

boulon à ancrage ponctuel,

scellé dans un deuxième

temps par injection d'un pro-

duit de scellement.

Ces boulons présentent

l’avantage d’apporter une

efficacité immédiate grâce à

l’ancrage ponctuel, et de

pouvoir ensuite être injecté,

améliorant la pérennité et

renforçant ses performances.

Certains boulons à friction peuvent être équipés d’un taillant perdu utilisé pour

la foration (autoforeurs) et deviennent mixtes par injection (Fig. 6).

1.4 - Boulons à friction

Les boulons à friction sont des profilés métalliques creux et minces mis en

contact intime avec la roche, sur toute leur longueur, de façon à permettre une

tenue par friction. Leur efficacité est immédiate.

Cette friction entre le terrain et le boulon peut être assurée de deux façons

différentes :

• Soit par expansion hydraulique du profilé dans le trou de forage, par injection

d’eau sous pression à l’intérieur du dit profilé tube fermé (Fig. 7).


écrou Plaque plane Manchon avec arrêt central permettant

un contact direct entre les tiges limitant ainsi les pertes d’énergiedurant la foration

Fig. 4 - Schéma d’un boulon autoforeur type MINOVA SDA®.

Tige fabriquée en tubes de haute qualité avec un pas de vis roulé à froid (pas standard à corde ou trapézoïdal)

Plaque bombéeen acier platformé à froid

Tube de protection si nécessaire Coulis

Divers types de taillantspermettent une foration

rapide dans les terrains etroches de nature diverse

Flexibles d’injection et d’évent

Dispositif d’ancrage mécanique

Tige d’acier

Forage de boulonnagerempli de coulis ou de mortier

Fig. 5 - Schéma de principe du boulon mixte.

Fig. 6 - Schéma du boulon à friction autoforeur.

1. Boulon à friction2. Plaque d’ancrage3. Taillant

4. Tige de foration5. Anneau de frappe6. Manchon

tube à expansion en acier

Plaque d’appui

Fig. 7 - Schéma du boulon type Swellex®.


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• Soit par poussage en force d’un tube fendu dans le trou de forage, le diamètre

initial du profilé fendu étant supérieur à celui du trou (Fig. 8).

Le boulon à friction travaille par frottement sur les parois du trou. Dans le cas

du Split Set®, la possibilité d’une injection et du scellement du profil augmente

la capacité de l'ancrage.

1.5 - Boulons coulissants et autres

Il existe des boulons coulissants, adaptés aux conditions de « rupture brutale »

de la roche (« rock burst »).

Il peut s’agir de boulons de type

mixte comme le « Cone Bolt® » :

les efforts produits par la défor-

mation brutale de la roche sont

transférés à la tige via la plaque

d’ancrage. Pour que ces efforts

atteignent la limite de fonction-

nement en ancrage réparti, un

revêtement spécial de la tige

favorise le glissement.

Le glissement de la tige dans le scellement entraîne le poinçonnement

du coulis par l'ancrage et permet un déplacement du boulon qui garde son

efficacité (Fig.10).

D’autres systèmes destinés à absorber des déformations brutales de la roche

ont été développés, utilisant par exemple le déploiement d'éléments coudés

constituant quelques segments de la tige « D-Bolt® » (Fig.11).

1.6 - Boulonnage de front

Cette technique est utilisée pour prévenir une déformation du front de taille,

les boulons sont mis en œuvre perpendiculairement au front.

La reprise du creusement dans le front boulonné nécessite l’utilisation de bou-

lons facilement destructibles, habituellement en fibre de verre et scellés au

coulis de ciment sur toute leur longueur.

Pour des considérations géotechniques et de chantier, il s’agit surtout de bou-

lons de grande longueur : 1,5 à 2 fois le diamètre de l’excavation. A l'avance-

ment, les boulons sont mis en œuvre de façon à maintenir un recouvrement

d’environ 1/3 de leur longueur.

1.7 - Boulonnage de radier

Dans certains cas, les radiers peuvent recevoir un confortement par boulon-

nage de type radial soit par des boulons métalliques, soit par des boulons en

fibre de verre pour des excavations réalisées en plusieurs phases dans des

terrains gonflants.


Fig. 8 - Schéma du boulon type Split Set®.

Fig. 9 - Schéma du boulon mixte type Cone Bolt®.

Fig. 10 - Schéma de fonctionnement du "cone bolt®".(d’après McKenzie, R, Use of Cone Bolts in Ground Prone to Rockburst, Coal Operators' Conference,University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 2002)

Fig. 11 - Shema du boulon type D-Bolt®.

Avant rupture brutale

Aprèsrupture brutale

2 - Foration-

Type de scellement PonctuelFriction

Résine MortierSplit Set® Swellex®

Diamètre nominal (mm) 31 à 80 28 à 37 28 à 37 20 à 32 20 à 32

Diamètre foration (mm) 32 à 89 33 à 46 32 à 45 28 à 41 38 à 64

Selon les préconisations des fabricants, les diamètres de foration recommandés sont les suivants :


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Pour les boulons scellés aux mortiers le diamètre de foration dépend de la

qualité du terrain et de la longueur du scellement et il varie de 1,5 à 2 fois le

diamètre de la tige

Pour les boulons scellés à la résine, il convient d'être attentif aux performances

des forations pour le respect de l’enrobage optimum des tiges des boulons.

2.1 - Techniques de foration

Dans des terrains de "forabilité normale", c’est-à-dire qui se forent sans

coincements excessifs, ni pertes de fluides et dans lesquels les trous peuvent

rester ouverts le temps nécessaire à la mise en œuvre du boulon sans

détériorations, les principaux modes de foration sont (Fig. 15 et Fig. 16) :

2.1.1 - Foration rotopercutante (rupture par rotation)

La foration rotopercutante (Fig. 12) est généralement conduite à l’aide de

jumbos équipés de marteaux hydrauliques. L’outil est une barre à l’extrémité

de laquelle est vissé un taillant.

Une méthode manuelle avec marteaux pneumatiques permet de forer des

trous de petit diamètre et de longueur limitée.

2.1.2 - Foration rotative (avec écaillage)

Les perforatrices pour foration rotative (Fig. 13) sont dépourvues de frappe.

Le taillant est généralement bilèvres à pastilles de carbure de tungstène, ou

de diamant polycrystallin.

Cette méthode réservée à certains terrains est très productive et permet des

diamètres de foration relativement petits.

2.1.3 - Autres modes de foration

2.1.3.1 - Foration par rotary - rotative par broyage (Fig. 14)Ce mode de foration au tricône est réservé aux forages de grand diamètre

généralement non utilisés pour le boulonnage.

2.1.3.2 - Foration au marteau fond de trouCe mode de foration, peu utilisé pour le boulonnage, est réservé aux diamètres

importants de trous. Ce type de marteau transmet l'énergie de percussion

directement au taillant sans l'intermédiaire des tiges. Ces marteaux sont à air

comprimé et ont un diamètre courant variant de 80 à 500 mm.

Fig. 14 - Forationpar rotary.


Surface libre

Zone broyée

Zone fracturée

Direction du mouvementForce d’impact

Rocher

Fig. 12 - Foration rotopercutante.

Taillant de foration

Direction du mouvement

Découpe d’une tranchepar cisaillement

Rocher

Fig. 13 - Foration rotative. Fig. 16 - Abaque Eimco-Secoma°2.

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Classes AFTES de dureté - DU

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Zone de foration rotativeFORTE

POUSSÉE

Zone de foration rotativeMOYENNE POUSSÉE

Zone de forationPERCUTANTE

Fig. 15 - Abaque Eimco-Secoma n°1

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Diamètre de foration en mm

Rotation

Rotary

Marteau fondde trouMarteau hors

du trou

Domaine du boulonnage


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2.1.4 - Récapitulatif : données indicatives utiles au boulonnage

2.1.5 - Outillage

L’outillage de foration est constitué de taillants, de tiges et d’accessoires de

liaison (manchons, emmanchement…).

Pour le boulonnage courant, les trous à réaliser sont de petit diamètre (inférieur

à 50 mm) et de longueur réduite (4 à 6 m). A partir de 6 m, les barres doivent

être manchonnées et les diamètres de foration sont plus importants.

2.2 - Exécution de la foration

2.2.1 - Evacuation des cuttings

En tunnel, pour l’évacuation des cuttings, la foration avec injection d’eau est

préférée à la mousse ou à l’air comprimé.

Le nettoyage du trou se fait par curage et/ou soufflage à l’air comprimé lors

du retrait de la barre. Dans tous les systèmes de renforcement des terrains,

le nettoyage est nécessaire, mais il est primordial que le nettoyage soit effectué

avec un soin particulier dans le cas du boulonnage scellé, et en particulier

pour les scellements à la résine.

2.2.2 - Machines de foration pour boulonnage

La mise en place d’un boulon s’effectue, de manière simplifiée en trois étapes :

• La foration d’un trou de boulonnage

• La mise en place du boulon

• Le serrage et/ou scellement

Plusieurs possibilités pour mécaniser la pose des boulons et plusieurs niveaux

de mécanisation existent.

La premère est d’utiliser le même jumbo pour la foration des trous de mine et

des trous du boulonnage (Fig. 17). Ces jumbos peuvent être équipés de glissières

télescopiques pour adapter les longueurs de foration aux forages d'abattage et

de boulonnage. Ces matériels peuvent être équipés d'articulations, pour pouvoir

se mettre en position de boulonnage (radiale)

avec une cinématique parfaitement adaptée.

Toutefois, la tendance actuelle est à la foration de volées longues, à trous de

mines parallèles, avec des jumbos 2 ou 3 bras. La cinématique des bras per-

mettant la foration des volées devient alors incompatible avec la foration radiale

des trous de boulonnage. Des machines spécifiques sont donc disponibles,

soit avec foration mécanique et mise en place manuelle, soit en automatisant

complètement le processus de mise en place des boulons.

Il existe aussi des machines équipées à la fois de bras munis d’une glissière

de foration pour l’avancement à l’explosif et d’un bras nacelle, à partir de

laquelle les opérateurs mettent en place les boulons.

également, et très souvent, des boulonneurs mécanisés complètement l’opé-

ration de pose. Ceux-ci sont équipés d’une glissière sur laquelle prennent place

l’outillage de foration, un magasin de boulons, et le mécanisme de mise en

place des boulons. Le magasin est généralement limité à 10-12 boulons (Fig.

18). La taille des plaques que l’on peut mettre dans ce magasin est limitée. Il

existe également des magasins et des systèmes de mise en place qui accom-

modent plusieurs types de boulons.

Actuellement, des boulonneurs automatisés sont utilisés pour :

• Les boulons à ancrage mécanique ponctuel

• Les boulons à ancrage réparti, scellés à la résine

• Les boulons à friction de type Split Set®

• Les boulons à friction de type Swellex®

Pour les boulons à ancrage mécanique et les boulons à ancrage réparti scellés

à la résine, la tourelle de boulonnage est équipée d’une rotative qui permet

de serrer le boulon, ou de tourner la tige dans la résine. Certains boulonneurs

automatisés permettent la mise en place simultanée de grillage.

Pour les boulons à friction de type Split Set®, la rotative est remplacée par

un marteau, et pour les boulons à friction de type Swellex® par un emman-

chement et un embout qui permet l’injection d’eau dans le boulon.

Selon les engins et selon les terrains, il est possible aujourd’hui et de manière

économique de réaliser des forages de diamètre 32 à 89 mm sur des longueurs

courantes de 4 m à 8 m avec éventuellement une opération d’allongement de

barres. C’est donc dans cette « gamme » de forages que le boulonnage doit


Fig. 17 - Bras de foration mixte foration / boulonnage.

Mode de forationDiamètre mini usuel

Diamètre maxi usuel

Commentaires

Foration rotopercutante (taillants) 32 mm 89 mm Ø max = 127 mm


Ø min = 24 mmLongueur limitée 3 m


Possibilité de trous de 15 m longueur

Fig. 18 - Tourelle de boulonnage.


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préférentiellement être mis en place. Le choix du type de boulons à mettre en

place aide à la spécification du type de foration à envisager notamment au

niveau des diamètres.

Compte tenu de l’encombrement, notamment du marteau et des flexibles,

il est important de prendre en compte, lors de la conception, la longueur

des boulons qu’il est possible d’installer dans une galerie de gabarit donné.

La longueur de la glissière est égale à la longueur du boulons plus 1 à 2 m

selon les matériels retenus.

2.3 - Travaux spéciaux

Dans les terrains de "forabilité difficile", il faut soit envisager une foration avec

tubage à l’avancement, soit utiliser les boulons de la gamme des autoforeurs.

On peut également envisager d’utiliser un fluide de forage de type coulis pen-

dant la foration.

Pour ces applications spéciales, les machines utilisées sont des machines

non-standard, équipées spécialement pour ces travaux.


3 - Boulons-

Dans le cas de boulons en matériaux composites, les sections peuvent être

de tout type.

3.2 - Pointe ou dispositif d’ancrage

Ce terme désigne l’extrémité de boulon au fond du trou de forage.

Sa fonction varie selon les types de boulons considérés :

• Coupe droite pour les boulons à scellement par injection.

• Coupe en pointe ou biseautée pour les boulons à scellement en cartouches :

elle permet de percer les cartouches de résine ou de mortier et favorise son

bon malaxage.

• Extrémité tronconique ou avec réduction de diamètre pour faciliter l’intro-

duction des boulons à friction.

• Équipée d’un taillant, elle permet de forer le trou dans le cas des boulons

autoforeurs ; les taillants se déclinent en de nombreuses versions : ils peuvent

être traités ou garnis de plaquettes ou picots carbure, en croix, en arc...

• Équipée d’une coquille, elle constitue l'ancrage ponctuel du boulon : ces

ancrages sont constitués d’une noix centrale sur laquelle viennent glisser

de 2 à 6 coins selon la surface de contact recherchée en paroi du forage.

Ils sont réalisés en acier ou en alliage d’aluminium. Une traction exercée sur

la tige entraîne une expansion de la coquille. Le choix du type de coquille

doit être adapté aux conditions géologiques rencontrées et validé par des

essais (voir § 6).

3.3 - La tête

Ce terme désigne l’extrémité saillante du boulon qui permet de solidariser la

plaque de répartition au boulon.

Dans la majeure partie des boulons à ancrage ponctuel ou à scellement réparti,

elle présente un filetage de longueur 100 à 200 mm recevant un écrou de serrage

hexagonal. Ces filetages peuvent être taillés mais sont généralement roulés. Le

type d’exécution du filetage peut avoir une influence sur la capacité du boulon.

Des exécutions particulières peuvent présenter :

• Des têtes forgées en six pans pour permettre l’entraînement en rotation des

tiges HA scellées à la résine ou pour limiter la partie saillante des boulons

ponctuels. Dans ce cas, le serrage du boulon est obtenu par rotation de la

tige dans la tête d’ancrage.

Ce chapitre est consacré à la caractérisation du boulon y compris ses

accessoires et particularités (filetage, nervures, tête, plaque d’appui).

Pour chaque type de boulons, il convient de préciser :

• Les matériaux constitutifs de la tige et de ses accessoires

• Les caractéristiques mécaniques de la tige et de ses accessoires (voir §3.1)

• Les caractéristiques géométriques de la tige et de ses accessoires

Les principaux matériaux utilisés sont les alliages d’acier, ou bien encore

la fibre de verre, et exceptionnellement la fibre de carbone. Le choix des

matériaux utilisés doit être adapté aux performances recherchées (limite

élastique, allongement à la rupture, destructibilité…).

3.1 - La tige

Il s’agit de la partie centrale du boulon. Sa section est pleine ou creuse selon

les cas.

La tige peut être lisse dans le cas des boulons à friction et des boulons à

ancrage ponctuel ou nervurée dans le cas des boulons à scellement réparti.

Dans ce dernier cas, les nervures améliorent le malaxage de la résine de scel-

lement et donc le scellement.

Il faut citer également le boulon dont les nervures constituent un filetage

continu et qui permet un ajustement de sa longueur sur chantier (boulon de

type GEWI®).

Dans le cas des boulons autoforeurs, la tige peut éventuellement être consti-

tuée de plusieurs éléments connectés par manchon fileté.

Les profils standards de filetage sont :

Type « corde » (le plus courant), Type « té »

Le filetage de type « corde » assure une bonne étanchéité au niveau des

manchons. Le filetage de type « té » facilite le dévissage.

Des profils de filetage non standard sont également utilisés.


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• Des extrémités filetées complétées d’un dispositif d’entraînement en rotation

des tiges HA comme des méplats ou carré d’entraînement, des écrous entraî-

neurs résinés ou matricés, des écrous prisonniers ou goupillés.

Dans le cas des boulons acier à profils filetés ou autoforeurs, ou dans le cas

des boulons en fibres de verre à profils filetés, les têtes de boulons sont sim-

plement équipées d’un écrou.

Les boulons à friction présentent soit une bague soit un embout soudés, qui

viennent prendre appui sur la plaque d’ancrage mise en place avant le fonçage

du boulon.

3.4 - La plaque de répartition

Les plaques d’appui (Fig. 19) constituent un élément important du soutène-

ment, et peuvent être utilisées seules ou associées à du grillage, des feuillards,

des blochets. Elles apportent un confinement du massif rocheux en tête du

boulon.

On peut également utiliser des tôles de blindage pour augmenter la surface

d’appui de ces plaques.

Les plaques se déclinent en 3 types principaux :

• Les plaques rigides dimensionnées de manière à constituer des appuis

statiques par rapport aux boulons auxquels elles sont associées.

• Les plaques déformables ou auto compensatrices permettant des déforma-

tions graduelles en fonction des charges exercées sur les boulons.

• Les plaques spéciales d’injection, de doublage pour le maintien de grillage,

de renforcement (de type « araignée »).

Les dimensions des plaques d’appui sont usuellement de 15 à 20 cm de côté

et 4 à 10 mm d’épaisseur, elles sont planes, bombées ou à rotule avec un trou

circulaire ou oblong afin de permettre une meilleure adaptation à l’angle effectif

du forage de la barre et de l’écrou.

Pour les boulons à friction la plaque est immédiatement opérationnelle sans

serrage.

Pour les boulons à ancrage ponctuel ou réparti la plaque est serrée contre le

parement par l’intermédiaire de la tête avec serrage de l’écrou à la clef à choc

ou éventuellement à la clef dynamométrique. Le couple de serrage doit être

adapté au type de boulon et d’écrou.

La plaque bombée permet une certaine adaptation à la déformation.

Une plaque auxiliaire, clipsée ou vissée sur la tête filetée du boulon est, géné-

ralement utilisée pour la fixation du grillage ou du treillis d’armature, lorsque

ce type de dispositif est utilisé en complément du boulonnage.

L'utilisation de boulonneur et d’une tourelle de stockage contraint à l’utilisation

de plaques de dimension adaptée au matériel (≤ 15 x 15 cm), ce qui peut être

défavorable à la mobilisation du cône de terrain en tête de boulon et à la liaison

avec le parement.

Pour les boulons en fibre de verre, la plaque peut être tenue par un coin inséré

dans la tête du boulon écartant les lames ou les deux parties du boulon. Ce

procédé ne permet pas un serrage optimisé. Il existe aussi des boulons en

fibres de verre cylindriques et filetées en tête permettant la fixation d’une

plaque par un écrou. En général, la tête du boulon en fibre de verre constitue

une section de moindre résistance.

3.5 - Protection contre la corrosion

Lorsque la durée de fonctionnement du soutènement l'exige, une protection

contre la corrosion peut être prévue :

• Scellement continu au mortier au coulis ou à la résine

• Surépaisseur sacrificielle des pièces

• Galvanisation à chaud des pièces

• Protection époxy (peinture à chaud)

• "Coating" par bain bitumineux à froid

• Boulons gainés injectés (Fig. 27)

• Boulons inox

3.6 - Caractéristiques utiles au dimensionnement

En accord avec les recommandations du Groupe de Travail GT30 de l'AFTES sur

la "conception et le dimensionnement du boulonnage radial", les principales

caractéristiques mécaniques utiles au dimensionnement du boulonnage, en

fonction du type de boulons et des références de fabriquant sont les suivantes :

• La résistance de la tige en traction à la limite élastique, en kN

• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) en traction à la

limite élastique, en kN

• La résistance de la tige à la traction de rupture, en kN

• La résistance de la tête (dispositif de fixation de la plaque) à la traction

maximale avant rupture, en kN


Plaques rigides Plaques ajustables à rotule

Fig. 19 - Exemples de plaques.

Plaques de répartitionpour scellement Injecté

Injection Évent

Plaque Araignée


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• L’allongement relatif de la tige en traction à la limite élastique, en %

• L’allongement relatif de la tige à la traction de rupture, en %.

Ces caractéristiques, obtenues par des essais de traction en laboratoire sur

tout ou partie des éléments constituant le boulon tel qu’issu de la fabrication

doivent être garanties (« valeur minimum garantie ») et elles sont indépen-

dantes des conditions de mise en œuvre (foration, scellement, …).

Les caractéristiques de la tige peuvent être théoriquement déduites des carac-

téristiques géométriques du boulon et des caractéristiques mécaniques du

matériau qui le compose, telles que :

• La section résistante de la tige, en mm²

• La contrainte en limite élastique à la traction du matériau, en MPa

• Le module de déformation élastique (module de Young) du matériau, en MPa

• La contrainte maximale en traction du matériau, en MPa

• La déformation à la contrainte maximale en traction, en %

Ces caractéristiques sont théoriquement accessibles quand il s’agit d’un

boulon HA B500B, (HA = Haute Adhérence, B = Barre, 500 = limite élastique

en MPa, B = classe de ductilité) mais elles devront être adaptées quand il s’agit

de boulons plus particuliers tels que les boulons à friction ou les boulons

mixtes. C’est pourquoi il conviendra toujours de privilégier la connaissance

des caractéristiques directement mesurables sur le boulon.

Le fonctionnement du boulonnage dans un massif rocheux implique également

la mobilisation des caractéristiques des boulons « au cisaillement », c'est-à-

dire sous une sollicitation de déplacement relatif, transversale à l’axe de la

tige. Il apparaît qu’il s’agit d’un fonctionnement complexe, impliquant les carac-

téristiques combinées de cisaillement et de traction du boulon lui-même, mais

également celles du rocher et du produit de scellement le cas échéant.

Aucun essai normalisé n’existe pour caractériser ce fonctionnement mais

diverses approches expérimentales ou théoriques ont été menées.

4.1 - Ancrage ponctuel ou ancrage mécanique

L’ancrage du boulon est réalisé à l’aide d’une coquille qui comporte généra-

lement de 2 à 6 coins, et d’une noix centrale. Une tige filetée est insérée dans

la noix (Fig. 20 et Fig. 21).

Les branches de la coquille sont écartées lors du serrage du boulon. Les coins

de la coquille sont plaqués contre les parois du trou et la tige est mise sous

tension (précontrainte).

La mise en place du boulon est réalisée en serrant à un couple recommandé

par le fabricant l’écrou de serrage qui est situé sur la plaque.

Le choix de l’ancrage dépend de la nature de la roche et doit être choisi en

fonction de résultats d’essais préalables.

L’ancrage dépend des paramètres suivants :

• La qualité de la roche au niveau du point d’ancrage (Rc min.) : en dessous

d’une Rc de 10 MPa, il est nécessaire d’utiliser des coquilles spéciales. Le

boulonnage à ancrage ponctuel n’est, dans ce cas, pas recommandé

• La surface de la coquille en contact avec le terrain : elle évolue de manière

inversement proportionnelle à la résistance du terrain

• Le matériau qui constitue la coquille

• Les diamètres respectifs de la

coquille et du trou de foration

• Le serrage initial de l’écrou

L’ancrage ponctuel a pour principale qualité de produire un confinement immé-

diat après l’installation, et donc de procurer une mise en sécurité immédiate.

Sa mise en œuvre est simple et rapide.

Lors de la mise en œuvre, il convient de s’assurer du bon serrage du boulon

et faire en sorte que la plaque soit en contact intime avec le terrain. Le temps,

et/ou les vibrations dues aux tirs, peuvent produire un écaillage autour de la

plaque. L’efficacité du boulon devient nulle lorsque la plaque n’est plus en

contact avec le terrain.

Il convient de vérifier et/de resserrer la plaque, au moins une fois, lorsque c’est

possible.

4.2 - Scellement à la résine ou au coulis


La résine permet le scellement du boulon sur la totalité de sa longueur. Ce


4 - Ancrages-

noixcoin

tige

Fig. 20 - Principe de fonction nementd’un ancrage mécanique.

2 branches 6 branches3 branches

Fig. 21 - Exemples d’ancrage mécanique.


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type de scellement ne convient qu’aux rochers qui permettent un bon calibrage

du trou d’ancrage. Il existe des résines à temps de prise « rapide » et « lent ».

La résine est généralement fournie sous forme de cartouches qui contiennent

un catalyseur et un durcisseur (Fig. 22).

Actuellement, compte tenu des matériels disponibles, et de la forte viscosité

des résines, la mise en œuvre mécanisée des boulons scellés est couramment

réalisée jusqu’à 5 m de longueur, la limite étant imposée par la résistance de

la résine lors du malaxage.

La durée de durcissement des résines, donc du scellement, est classiquement

de 5 à 15 min (en fonction du produit et de la température). Il confère une effi-

cacité extrêmement rapide à ce type de boulon, ce qui est un élément de choix

important pour le type de boulonnage utilisé.

Les paramètres importants pour la pose de boulon à la résine sont :

• Le diamètre du trou de boulonnage et sa bonne tenue sur toute la longueur

• L’espace annulaire entre les parois du trou et la tige retenue (Fig. 23)

• Le nettoyage du trou, qui doit être débarrassé de tout résidu de forage

(cuttings)

• La profondeur du trou : une sur-profondeur du trou conduira à une consom-

mation accrue de résine et à un mauvais mélange

• Les charges de résine doivent être introduites et poussées en fond de trou,

et la position des charges dans le trou doit être contrôlée. Un parachute per-

met de retenir les charges de résine dans le trou dans l’attente de l’intro-

duction de la tige

• La mise en place du boulon doit suivre les recommandations du fournisseur.

Les différentes étapes de la procédure sont les suivantes (Fig. 24) :

- L’introduction de la tige, en faisant tourner la tige tout en la poussant

vers le fond de trou

- Le malaxage : maintien de la rotation de la tige une fois en fond de trou,

pour permettre un bon mélange résine/durcisseur

- Le serrage après prise de la résine

Avec un boulonneur automatisé l’introduction des cartouches dans le trou se

fait le plus souvent avec une « sarbacane » à air comprimé. Elle nécessite un

trou propre et libre de tout élément susceptible de blesser ou de faire obstacle

à la mise en place des cartouches. C’est souvent le point le plus délicat de la

chaîne de mise en œuvre.

Les paramètres suivants doivent être contrôlés :

• Le temps de malaxage qui dépend du type de résine : une durée insuffisante

ne permettra pas à la résine de durcir de manière convenable, mais un temps

de malaxage trop important nuira à la polymérisation de la résine et donc

au bon ancrage du boulon

• La vitesse de rotation doit être contrôlée et le temps de mélange adapté à

la vitesse envisagée

• La température de mise en œuvre influence le temps de prise de la résine

Le stockage des cartouches de résine doit être pris en compte dans l’instal-

lation et la gestion du chantier :

• La durée de vie en stockage est limitée : quelques mois au maximum à une

température moyenne de 20-25°C. Cette durée de stockage diminue en

s’écartant de cette température moyenne. Il est recommandé de prévoir une

rotation du stock.

• La température de stockage ne doit pas descendre en dessous de 0°C.

• Les cartouches doivent préférablement être stockées dans un endroit frais

et sec, à l’abri de la lumière directe du soleil.

• Dans les procédures de mise en œuvre, si la température du stockage diffère

trop de la température de mise en œuvre, il faut prévoir le temps pour que

la température de la résine atteigne la température de mise en œuvre.

• L'élimination des reliquats ou rebuts doit se faire dans des filières adaptées.

Les cartouches de résines sont livrées en cartons d’une vingtaine d’unité. Sur

les emballages, il est nécessaire d’avoir au moins les indications suivantes :

• Fournisseur/Origine

• Type de produit et contenance des cartouches individuelles

• Pictogrammes et phrases de sécurité le cas échéant

• Date de fabrication

• Date de péremption

• Numéro de lot

La résine peut être injectée sous

forme pompable pour certaines

applications.


Catalyseur

Résine

Fig. 22 - Cartouche de résine.

Diamètre du trou de forage D

Espace annulaire e

Diamètre de latige D

Fig. 23 - Espace annulaireentre le trou et la tige.

Fig. 24 - Étapes de mise en place d'un boulon à la résine.


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4.2.2 - Scellement au mortier ou au coulis

Ce produit de scellement se présente sous la forme de mortier cartouché, ou

de mortier sec en sac ou de coulis pompable.

Le mortier (cartouche ou sac) utilisé est à base de ciment à haute résistance

et à prise rapide. Pour le coulis le sable utilisé doit être fin pour permettre la

pompabilité. Le retrait de celui-ci devra être limité, à défaut d’être expansif.

Le coulis à base de ciment, d’adjuvants et d’eau est généralement plus liquide et

d’une mise en œuvre plus compliquée que le mortier. Il peut être préparé sur place.

Paramètres à contrôler pour la spécification d’un coulis ou d’un mortier :

• Le temps de prise doit être adapté au travail demandé

• La thixotropie du produit doit permettre le pompage

• Le produit doit être à retrait limité, voire légèrement expansif

• La protection contre la corrosion des aciers ne doit pas être attaquée par le

produit

• Les résistances mécaniques à la compression et à la flexion

4.2.2.1 - Mortiers d’ancrage pompésLes mortiers pompés sont des mélanges préparés spécifiquement pour le

chantier ou pré-mixés à sec, prêts à l’emploi, fournis par des formulateurs.

Les mortiers prêts à l’emploi sont adjuvantés et ont généralement des carac-

téristiques qui rendent la mise en œuvre plus aisée et améliorent la qualité de

l’ancrage : thixotropie, absence de retrait, pompabilité. Ils peuvent présenter

des durcissements rapides, permettant de mettre en tension les boulons après

4 ou 5 h selon les objectifs recherchés. À un jour, les résistances atteignent

15 à 35 MPa selon les produits.

Procédure standard de mise en œuvre :

a) Préparation du mortier :

- Gâchage du mortier en suivant les recommandations du fabricant,

notamment en ce qui concerne la quantité d’eau

- Malaxage

b) Injection du mortier à l’aide d’une pompe, en remplissant le trou du fond

vers la tête :

- Un flexible d’injection est introduit en fond de trou

- Le mortier injecté par la pompe pousse le flexible qui se déplace vers

l’extérieur. Une certaine résistance doit être opposée à la remontée du

flexible pour s’assurer du remplissage des vides et des interstices

c) Introduction des tiges par simple poussée de la tige :

- L’introduction du boulon permet la diffusion d’une certaine quantité de

mortier dans les éventuels interstices du terrain

- En fin d’opération, le mortier doit normalement ressortir en tête du bou-

lon par l’espace annulaire entre la tige et le trou

- Une cale en bois permet parfois de maintenir le boulon dans le trou pen-

dant la prise du scellement (pour les boulons subverticaux)

d) Serrage des boulons, après la prise du mortier : le temps de prise du mortier

dépend des caractéristiques du produit choisi et de la température de mise

en œuvre

L’injection ultérieure à la pose des boulons est également envisageable.

Les paramètres qui influent sur la mise en place des produits de scellement

sont :

• Le temps entre le gâchage et la mise en œuvre (max. 15 à 20 mn), qui dépend

de la température ambiante et de la température de l’eau de gâchage

• Le temps entre l’injection et la pose de la barre du boulon

• La température ambiante de mise en œuvre et la température du rocher.

Pour des températures trop basses (inférieures à 5°C) la mise en œuvre est

déconseillée

• Le dosage en eau

4.2.2.2 - Composition des mortiers de chantierPour des mortiers basiques préparés sur le chantier, le dosage pondéral est

le suivant :

• 1 ciment

• 1 sable (0-3 mm ou moins)

• 0.3-0.35 eau/ciment (E/C)

Il est possible d’obtenir des mortiers présentant de fortes résistances aux

jeunes âges en utilisant des liants hydrauliques à prise rapide (type Vicalpes®),

ou du ciment prompt.

Exemple de composition d’un mortier avec une prise à 1 heure dite "rapide" :

• Sable 0-2mm : 55%

• Filler : 11%

• Vicalpes® R 17%

• CEM I 52.5 R 17%

• Eau

• Adjuvants

La résistance de ce mortier est de 6 MPa à 3h et de 18 MPa à 24h.

4.2.2.3 Mortiers d’ancrage en cartouchesLes cartouches contiennent un mortier sec prêt à l’emploi et sont conditionnées

dans un emballage perméable qui permet l’absorption de l’eau. Leur utilisation

est réservée aux travaux de boulonnage limité en quantité et pour des boulons

de faible longueur. Ces cartouches sont mises en place par bourrage (bourroir).

Les boulons sont ensuite introduits par simple poussée.

4.3 - Boulons à friction à expansion hydraulique

Ces boulons sont des tubes repliés sur eux même, qui sont introduits dans le

trou et gonflés à l’eau sous pression.

La pression de gonflement pour la mise en place est de l’ordre de 30MPa, il

convient de vérifier sa compatibilité avec la qualité de la roche. Dans tous les


Type de mortierTemps de prise

(à 20°C)Rc 2 h Rc 1 j Rc 28 j

Rapide 28 - 30 min 5 -10 MPa 20 - 35 MPa 35 - 70 MPa

Standard 1 - 2 h 25 - 40 MPa 35 - 70 MPa

Lent 4 - 8 h 25 - 40 MPa 35 - 70 MPa


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cas, elle doit impérativement être définie et décrite dans les procédures de

boulonnage de chantier (essais préalables).

Les pompes de gonflage doivent être contrôlées et régulièrement révisées.

Procédure d’installation du boulon (Fig. 25) :


• Insertion du boulon dans le trou, connecté à la lance d’injection

• Gonflage, durée de 30 s à 1 min

• Fin de l’installation

Paramètres qui influencent l’ancrage :

• Qualité de l’acier utilisé : il existe deux qualités principales de boulons de

type Swellex® (gamme standard et gamme au manganèse)

• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons avec un revê-

tement anticorrosion

• Qualité de la fabrication du tube et des soudures d’extrémité

• Pression d’injection d’eau

• Qualité de la roche dans le terrain : ce type de boulon est adapté aux terrains

dont la résistance est compatible avec la pression de gonflage. Dans les

autres terrains, on utilise des manchons pour éviter l’endommagement du

terrain, au voisinage de la tête de trou

• Diamètre de foration contrôlé pour chaque type de boulon et en fonction des

recommandations du fournisseur

4.4 - Boulons à friction enfoncés par percussion (à force)

Ces boulons à friction sont constitués d’un tube en acier à haute limite

élastique, ouvert le long d’une génératrice sur toute la longueur du tube.

Caractéristiques du boulon à friction :

• Mise en place simple (par percussion au marteau)

• Système actif et dynamique de renforcement par friction. Le boulon contrôle

la dilatation des terrains de par ses fortes capacités à l'allongement et au

cisaillement sans rupture

• Résistance à la corrosion : il est possible d’obtenir des boulons galvanisés

à chaud

• Couramment, sa longueur est limitée à 4 m environ

Procédure de mise en œuvre (Fig.26) :


• Insertion du boulon équipé de sa plaque dans le trou

• Le marteau est mis en place et le boulon est enfoncé à force dans le trou.

Il convient de maintenir la poussée jusqu’au contact de la plaque au

parement.

Paramètres pour assurer une bonne mise en place des boulons à friction :

• Le diamètre de foration doit être contrôlé et respecter les recommandations

du fournisseur

• Les caractéristiques du terrain : ce type de boulon montre son efficacité dans

les terrains fracturés où il permet de maintenir les blocs entre eux

• La qualité de l’eau dans le massif influence la durabilité du boulon

La mise en place du boulon est relativement simple, ce qui est son principal

avantage.

4.5 - Ancrage mixte

Il existe plusieurs combinaisons de boulons d’ancrage mixtes. Le but est géné-

ralement d’obtenir les avantages d’un ancrage immédiat garanti par une

coquille d’expansion, et la résistance à long terme d’un boulon à ancrage

réparti.

Il est le plus souvent une combinaison d’ancrage ponctuel et réparti, mais

d’autres combinaisons existent, telles que :

• Ancrage ponctuel + injection de résine ou de ciment entre trou et boulon

• Friction + injection de ciment dans le tube du boulon

4.5.1 - Ancrage ponctuel + Injection de ciment

Il est possible d’obtenir à la fois les avantages de l’ancrage mécanique et de

l’ancrage réparti en utilisant des boulons à ancrage mécanique et en injectant

a posteriori dans le trou de boulonnage une résine ou un coulis de ciment.


Fig. 25 - Mise en place d'un boulon à friction à expansion hydraulique.

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opco

Fig. 26 - Mise en place d'un boulon à friction enfoncé à force.

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Forage- 35 à 38 mm (SS39)- 41 à 46 mm (SS46)

Mise en place

Boulon installé- forces radiales- forte pression

de plaque


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Certains types de boulons possèdent une tige creuse dans laquelle le produit

de scellement peut-être injecté (comme pour les autoforeurs) entre barre et

ancrage ponctuel et terrain. D’autres boulons (CT Bolts®) permettent d’injecter

le produit de scellement entre une gaine PVC et la tige du boulon jusqu'à la

tête de l’ancrage (Fig. 27).

4.5.2 - Friction + injection ou remplissage de ciment

Le boulon à friction enfoncé à force (§ 4.4) peut être injecté avec un mortier

ou coulis après mise en œuvre.

Il existe également une variante de type de boulon à friction enfoncé par per-

cussion pouvant recevoir des cartouches contenant un liant à base de ciment

légèrement expansif (Fig. 28). Lors de sa prise, le ciment produit une pression

sur le tube qui constitue le boulon, et renforce son matriçage dans le terrain,

augmentant ainsi l’effort nécessaire pour faire glisser l’ancrage (10 à 15 t/m).

4.6 - Boulons autoforeurs

4.6.1 - Boulons en acier

Les boulons autoforeurs sont constitués de tiges creuses, équipées en extré-

mité (pied) d’un taillant perdu. Après foration avec retour du fluide de foration

par le vide annulaire, on injecte un coulis par la tige qui assure le scellement

du boulon.

Ces systèmes sont directement mis en lieu et place de la barre de foration et

du taillant. Ils sont conçus pour être mis en place avec un matériel de roto per-

cussion courant.

L’ancrage étant du type réparti, les facteurs qui influencent la qualité de

l’ancrage seront les mêmes avec certaines difficultés supplémentaires : le

diamètre du taillant doit être suffisamment petit pour que l’espace annulaire

permette un bon scellement au mortier ou au coulis, néanmoins il doit être

suffisant pour s’assurer de la bonne évacuation des cuttings.

Fig. 28 :- Exemple d'ancrage mixte (friction + injectionde ciment) type Split Set® injecté.

Il est possible de forer à l’eau, à l’air ou bien au coulis.

Bien que cela ne soit pas répandu, il est possible d’envisager

un scellement avec une résine pompable.

Procédure d’installation (Fig.29) :

• Foration du trou avec la tige du boulon

• Addition éventuelle d’une longueur par utilisation d’un manchon

• Injection

• Mise en place de la plaque

4.6.2 - Boulons en fibres de verre

Des boulons autoforeurs en fibre de verre sont disponibles. Leurs principaux

avantages :

• Ils sont injectables

• Leur poids est faible

• Ils sont insensibles à la corrosion

• Ils sont facilement destructibles, et donc bien adaptés pour le soutènement

provisoire dans les zones dans lesquelles il faudra ensuite excaver.

Ils sont mis en œuvre en mode de foration rotative.

4.6.3 - Boulons autoforeurs à friction

Ce type de boulon fonctionne comme un tubage à l’avancement, mais dans

ce cas le tubage est fendu, comme dans le cas du boulon à friction enfoncé

à force type Split Set®. Le marteau, utilisé pour la foration, force également

le tubage dans le trou qui procure un ancrage par friction immédiat dès son

installation (Fig. 30).


Fig. 27 - Exemple de mise en place d'un boulon à ancrage mixte type CT Bolt®.

© A

tlas C

opco

Fig. 29 - Installation d'un boulon autoforeur.

Fig. 30 - Procédure de mise en place d'un boulon autoforeur à friction (DSI®).

Power Set drill bit

AT - Pc

Power Setdrill

Power Set adapte


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Dès lors qu'un type de boulonnage est retenu, l'entreprise se doit de respecter

un certain nombre de dispositions pour que la mise en œuvre des éléments

de boulonnage se déroule avec le maximum de sécurité.

Le boulonnage doit être réalisé après la purge des parois et du front voire

après l’application d’une première couche de béton projeté de confinement.

5.1 - Textes de référence

Le "Guide des bonnes pratiques pour la Sécurité et la protection de la Santé

lors de travaux souterrains" édité par la CARSAT-RA est un document de réfé-

rence sur lequel le maître d'ouvrage, le maître d'œuvre et l'entreprise s'ap-

puieront pour rédiger les documents de conception et de chantier relatifs à la

sécurité (PGC, PPSPS, Procédures…).

Rappel de la logique à respecter pour la mise en œuvre des PGP (Principes

Généraux de Prévention) tels qu'ils sont définis par l'article L 4121-2 du Code

du Travail :

• éviter les risques professionnels et d'environnement

• évaluer au mieux les risques qui ne peuvent être évités

• privilégier la protection intrinsèque en recherchant des modes opératoires

adaptés aux lieux de travail, en utilisant des matériels adéquats et en veillant

toujours à respecter la règle suivante qui consiste à adapter le travail à

l'homme et non l'inverse

• toujours privilégier la protection collective et à défaut mettre en place des

protections individuelles adaptées

• assurer la formation du personnel vis-à-vis des risques qu'ils sont suscep-

tibles de rencontrer

5.2 - Evaluation et analyse des risques

Le soutènement par boulonnage présente différents risques. Leurs sources

sont multiples depuis l'approvisionnement des matériels et matériaux jusqu'à

la mise en place du soutènement sans oublier la phase "contrôles". Elles résul-

tent essentiellement de la mise en place des soutènements et de la surveillance

de leur comportement.

En effet, les risques liés au terrain sont à prendre en compte car l'excavation

non encore soutenue présente de graves dangers notamment la chute de blocs.

L'analyse de l'activité "boulonnage" démarre dès l'approvisionnement desmatériaux et des matériels, phase au cours de laquelle les ouvriers font des

tâches répétitives de manutention demandant parfois des efforts physiques

pouvant entraîner de mauvaises postures. L'implantation des zones de livraison

et de reprise des matériaux sera faite de manière à ce que les manœuvres et

circulations ne génèrent pas d'accidents de la circulation.

La phase foration peut être à l'origine de plusieurs risques dont certains sont

liés au matériel. Il peut s'agir :

• de coincement de main ou de doigt par exemple lors de la mise en place de

tige ou changement de taillants

• de chocs impulsifs liés aux vibrations produites par des marteaux perfora-

teurs

Le manque d'éclairage tout comme le sur-éclairement des zones de travail

peut engendrer des situations à risques. Pendant la foration, le bruit et la

poussière émis par l'engin de foration insuffisamment équipé peuvent être

source d'inconfort et de maladies professionnelles pour les ouvriers.

La phase de mise en place du boulon présente des risques communs à tous

les types de boulons et d'autres spécifiques au type de boulons mis en œuvre.

La manutention du boulon et sa mise en place dans le trou de foration peuvent

entraîner des blessures aux mains et des chocs du fait de l'emploi de masses.

Pour les boulons de voûte, le travail à partir d'une nacelle peut être à l'origine

de chutes de pièces diverses sur les zones inférieures.

La mise en place des boulons à ancrage réparti scellés présente des risques

liés à l'emploi de pompe à injection. La préparation des produits de scellement

peut entraîner des risques de brûlures cutanées, d'inhalation voire d'ingestion

de poussières (fines). Ensuite, lors de l'injection, des ruptures de flexibles

peuvent se produire entraînant les mêmes risques que lors de la préparation.

Lors de la mise en place des boulons à ancrage ponctuels, les risques sont

essentiellement liés à la manutention des accessoires comme la mise en place

des coquilles d'ancrage et des plaques et écrous de serrage.

Pour les ancrages à friction, les risques dépendent du type du boulon. Les

boulons dont l'efficacité n'est effective qu'après leur gonflage à l'eau tout

comme les boulons entrés à force dans le terrain présentent les risques liés

aux matériels utilisés pour la mise en place : pompe d'injection d'eau pour les

premiers, engin de frappe pour les seconds.

5.3 - Mesures à prévoir

Les mesures à prévoir pour la surveillance du comportement des boulons, que

ce soit pendant la phase excavation ou au cours de la vie de l'ouvrage lorsque

le soutènement reste apparent, relèvent des contrôles.

Les acteurs de la construction (prescripteur - MOA, MOe, coordonnateur SPS,

et les entreprises) ainsi que les gestionnaires d'ouvrages se référeront au

paragraphe "6.4 de la présente recommandation - "Surveillance des boulons"

en cours de chantier.

Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au terrain sont :

• Surveillance du terrain : affectation d'une personne chargée de l'auscultation

des soutènements

• Purge systématique préalable en privilégiant la purge mécanisée

Les mesures à prévoir vis-à-vis des risques liés au matériel durant la foration sont :

• Mettre en place les formations à l'utilisation et à la maintenance des engins

de foration


5 - Sécurité de la phase boulonnage-


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• Sécuriser les nacelles conformément à la réglementation et à leur utilisation

spécifique

• Mécaniser au maximum les tâches (lorsque la section et le nombre de

boulons à mettre en œuvre le permettent) : livraison des boulons, change-

ment de tige et barres de forage

• Prévoir, si la foration est effectuée manuellement, des supports permettant

de reposer le matériel (poussoir) et aménager l'espace de travail au pied de

la paroi à boulonner pour éviter toute chute de personne

• Eviter les circulations de personnel à proximité : pour se prémunir du risque

de heurt et de happage du personnel situé au voisinage de la machine de

foration lors d’un mouvement brusque de la glissière, il est nécessaire de

définir un périmètre de sécurité autour des machines ainsi que certaines

règles de bonne entente afin d’attirer l’attention du chauffeur lorsque

quelqu’un doit passer dans son rayon d’action

• Éviter de générer de la poussière et toute projection de matériaux : privilégier

le forage à l’eau ou au mélange air/eau. Dans les terrains pulvérulents ou

dont la nature présente des risques pour la santé, mettre en œuvre un

dispositif de captage des poussières et de ventilation de la zone de travail.

• Relativement au bruit : privilégier les matériels électrohydrauliques et inso-

norisés, sans préjudice du port des EPI.

Les mesures à prévoir vis-à-vis des risqués liés à la mise en place du boulon

sont :

• Privilégier l'emploi de robot de boulonnage

• Si le boulonnage est réalisé manuellement, mettre en place les formations

adaptées aux types de boulons

• Porter des EPI (Equipements de Protection Individuels) adaptés


6.1 - Principes de contrôle

Pour s’assurer de la qualité et de l’efficacité du boulonnage, plusieurs types

de contrôles et d'essais peuvent être effectués à différents stades.

On distingue :

• des essais préalables réalisés au stade du projet pour valider le système de

boulonnage envisagé, notamment son dimensionnement par rapport à la

qualité des terrains à boulonner (des essais qui peuvent aller jusqu’à l’ar-

rachement du boulon d'essai)

• des épreuves de convenance, avant travaux, pour vérifier l’adéquation du

système de boulonnage choisi avec le matériel de mise en place et les condi-

tions in situ, notamment de terrain

• à leur arrivée sur le chantier, le contrôle systématique des différents consti-

tuants (boulons et scellements) ainsi que celui des matériels de mise en

œuvre

• des essais de contrôle réalisés en cours d’exécution sur les ancrages appar-

tenant au dispositif de soutènement, pour en vérifier l’efficacité

Il est possible également d’ausculter des boulons dans le temps, en plaçant à

poste fixe des cellules dynamométriques à la tête de l’ancrage entre plaque et

écrou, et de relever périodiquement la déformation à l’aide d’un comparateur.

Ces contrôles et essais sont développés dans les paragraphes qui suivent.

6.2 - Contrôle des constituants

La qualité des différents constituants du boulonnage (boulons, coquilles d’ex-

pansion, taillants de l’autoforeur, et autres accessoires) et du matériel de mise

en œuvre sera contrôlée :

• par la vérification, dans la procédure d’agrément, des essais réalisés en

laboratoire par le fournisseur (limite élastique, limite de rupture, allongement

à la rupture, notamment des tiges…). Sur le chantier, il convient de vérifier

à la livraison les PV de contrôle du fournisseur

• à la réception et à la mise en place : diamètre, longueur, filetage, tête et

pointe, absence de rouille, de graisse… :

- pour les tiges en HA dont les diamètres sont prévus par les normes

AFNOR (14 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40) et donc faisant l'objet du certificat

d'homologation, il est absolument indispensable que la fourniture soit

accompagnée de la fiche descriptive en cours de validité relative NF

AFCAB de l'acier fourni

- pour les tiges en HA dont les diamètres ne sont pas prévus par les

normes AFNOR (18 - 22 - 26 - 28 - 30 - 34, etc.), il est indispensable

que la fourniture soit accompagnée du certificat de l'aciérie produc-

trice ; ce document indiquera les données qui identifient le produit

(numéro de la coulée, analyse chimique, etc.) et aussi les valeurs

limites d'élasticité (Re, act), les valeurs de résistance à la traction

(Rm) et leurs "Rapport" relatifs, et enfin l'allongement total (Agt

exprimé en pourcentage) ; le tout selon les normes NF A 85-080-1

(2010-10)

- pour les boulons à friction, il convient de contrôler le marquage spécifique

à chaque boulon permettant sa traçabilité, selon la norme concernée

- Toutes ces valeurs déterminent les caractéristiques mécaniques de

l'acier

• la qualité de l’eau et du sable utilisés pour les mortiers

• les conditions de stockage des différents constituants

En ce qui concerne les produits de scellement (résine, coulis, mortier), on

vérifiera :

• pour les résines : l’état des cartouches à la réception, la limite de péremption

(généralement de quelques mois), les conditions de stockage, les vitesses

de polymérisation

• pour les coulis et les mortiers : les résistances à la compression à 7 j et

à 28 j, la viscosité, les temps de prise : 6 éprouvettes en sortie de lance

d’injection à chaque poste

• pour les mortiers en cartouche : l’état des cartouches à la réception, les

conditions de stockage

6 - Contrôle du boulonnage-


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Il convient de se prémunir des risques de contrefaçons :

• Traçabilité

• Marquage

• Système de normalisation

• Certificat de conformité

Par ailleurs, il convient de s'assurer que le contrôle qualité concerne toute les

étapes de la fabrication du boulon et que les boulons d'essais sont les mêmes

que ceux mis en œuvre.

6.3 - Modes opératoires des essais de traction et d'arrachement sur boulons

Concernant les essais de contrôle des boulons scellés au mortier :

Le résultat de l'essai sera non seulement fonction de la prise du coulis de

scellement mais aussi de la convergence et du "serrage" du boulon suivant

l'augmentation de la contrainte orthoradiale.

L'essai doit donc être fait lorsque la vitesse de convergence est faible :

• sous faible couverture : 3 mm/jour

• sous forte contrainte: 1-2 cm/jour

6.3.1 - Principes généraux des essais sur boulons

Les essais de traction et d’arrachement sur boulons sont réalisés généralement

à l’aide d’un vérin creux qui permet de tirer sur la tête du boulon en s’appuyant

sur la paroi rocheuse aux alentours de la plaque d’appui de l’ancrage (Fig. 31).

Pour les boulons à ancrage mécanique, les essais peuvent être réalisés à l’aide

de la clef dynamométrique qui sert à les mettre en tension.

Le déplacement de la tête du boulon est mesuré à l’aide d’un comparateur,

ce qui permet de tracer la courbe effort–déplacement caractérisant le

comportement du boulon et de son ancrage.

La mise en tension se fait par paliers. A chaque palier, on mesure l’évolution

du déplacement ou la perte de tension, s’il y en a, qui définit une limite de

fluage (ou de ripage) de l’ancrage. On peut ainsi définir une résistance de pic

et, dans certains cas, une résistance résiduelle.

Les essais préalables et les essais de convenance sont à réaliser sur des

ancrages spécifiques n’appartenant pas au dispositif de soutènement de l’ou-

vrage ou ne participant pas à la stabilité de l’ouvrage en service.

Pour les soutènements à l’air libre, les essais préalables et les essais de conve-

nance sont généralement destructifs afin de mesurer la résistance du

scellement nécessaire au dimensionnement du soutènement. En revanche, en

souterrain, les essais préalables et de convenance ne le sont pas nécessaire-

ment. Ils sont alors réalisés de la même manière que les essais de contrôle,

dans les mêmes conditions de boulons et de terrain que celles de l’ouvrage

pour lequel ils sont prévus (voir ci-après).

Dans certains cas cependant, le Maître d’Œuvre peut demander des essais

destructifs afin d’évaluer la résistance Tu (en kN) de l’ancrage dans le terrain,

qui est fonction généralement de la longueur d’ancrage (ou qs exprimé en kPa

qui est le frottement latéral limite conventionnel).

Le nombre d’essais à réaliser par type d’ancrage et par type de conditions

géologiques est à fixer dans les prescriptions du marché. La résistance

moyenne est souvent définie à partir d’un minimum de 5 essais par type

d’ancrage et par type de conditions géologiques car une assez grande disper-

sion est habituellement observée.

Les essais préalables et les essais de convenance donnent lieu à un rapport

d’essai.

Les essais de contrôle sont à réaliser sur des ancrages appartenant au

dispositif de soutènement de l’ouvrage. On vérifie que l’ancrage résiste à une

traction d’essai Te définie à la conception qui est fonction de la traction limite

de service Ts du boulon (généralement Te = Ts ou plutôt 1,2 x Ts).

Pour un ancrage dont l’efficacité doit être immédiate, le contrôle doit se faire

rapidement après sa mise en place.

Pour les boulons scellés au mortier ou à la résine, le contrôle doit se faire dès

lors que la prise du scellement le permet (7 ou 28 jours pour le mortier, 8 ou

24 heures pour la résine selon les indications du fournisseur et selon les

prescriptions du marché).

Des contrôles différés peuvent également être prévus pour vérifier la pérennité

d’un ancrage (voir § 6.4).

6.3.2 - Normes et recommandations

Pour les ancrages scellés au rocher (mortier ou résine), la procédure d’essai

en arrachement comme en contrôle est décrite par la norme XP P 94-444

(décembre 2002) – Essai statique d’arrachement, sous un effort axial de trac-

tion, d’un ancrage scellé dans un massif rocheux – Essais par paliers :

• Les boulons sont mis en traction par incréments de charge et/ou de dépla-

cement et les mesures sont faites à chaque incrément, lorsque charge et

déplacement sont stabilisés (en notant le temps de stabilisation). Les paliers

sont fixés à 5 minutes.

• Le programme d’essai à la rupture comporte 2 cycles de chargement/déchar-

gement par paliers, le 1er cycle jusqu’à la tension limite estimée de l’ancrage

et le 2 ème cycle jusqu’à 2 fois cette tension. L’essai donne l’effort de traction

limite Tu associé à la longueur L de l’armature scellée dans le matériau

rocheux.


Fig. 31 - Dispositif d’essai de traction.


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• L’essai de contrôle (Fig. 32), lui, est réalisé en un seul cycle de chargement

en cinq paliers de 5 minutes jusqu’à atteindre Te puis en effectuant un

déchargement en trois paliers de 1 minute. Il peut également être demandé

de maintenir le dernier palier Te plus longtemps (20 ou 30 minutes) avant

de procéder au déchargement contrôlé. L’essai est dit concluant si la résis-

tance moyenne des essais est supérieure soit à Ts, soit à 1,1 fois Ts (selon

les prescriptions du marché).

La recommandation de l’ISRM et la norme ASTM suivent des méthodologies

similaires. Elles y sont décrites jusqu’à l’arrachement de l’ancrage. Leurs réfé-

rences sont les suivantes :

• ISRM – Suggested Method for Rockbolt Testing (1975),

• ASTM D 4435-84 (reapproved 1998) – Standard Test Method for Rock Anchor

Pull Test.

Dans le cas des essais à la rupture, des dispositions doivent être prises

pour :

a) éviter la cassure de l’armature sous l’effet de traction maximale :

- par le choix d’une section suffisante

- et/ou en limitant la longueur de scellement ; cette dernière doit cepen-

dant être suffisante pour englober les hétérogénéités du terrain

b) limiter les effets de bord :

- soit par la réalisation d’une longueur libre minimale lors du scellement

du clou (de l’ordre de 1 m dans le sol, 0,5 m au rocher)

Un contrôle de la longueur non scellée des ancrages est réalisé en introduisant

une tige dans l’espace annulaire libre de tout scellement.

- soit en disposant d’un bâti d’essai prenant appui au terrain autour de la

tête du clou, mais dont tous les points de la surface d’appui se trouvent

néanmoins à plus de 0,3 m des bords du trou

c) pour les boulons scellés au rocher (au mortier ou à la résine), l’essai inter-

vient après un délai minimum de prise du scellement (7 à 28 jours pour du

mortier, ou 8 à 24 heures pour de la résine selon les indications du fournis-

seur et selon les exigences du marché)

Les essais d’arrachement sur les boulons à friction se réalisent de la même

manière. Ils se font immédiatement après leur mise en place (se reporter aux

indications du fournisseur). Des essais à plusieurs longueurs de boulon (3 mini-

mum) permettent une évaluation plus fiable de la valeur du frottement limite

qs. La valeur de qs peut croître sous l’effet des mouvements de terrain autour

de l’excavation.

En dehors des boulons en tunnel, objets de la présente recommandation, il

existe d’autres procédures d’essai concernant les micropieux et les clous ou

ancrages au sol meuble, où la notion de fluage est ajoutée à la notion de trac-

tion de rupture, ainsi que les tirants d’ancrage. Ces essais visent généralement

à déterminer une valeur de frottement latéral limite qs nécessaire au dimen-

sionnement des ouvrages concernés (stabilité des talus cloutés, fondations…

) mais peuvent aussi concerner les ouvrages souterrains :

• Ouvrages de grandes dimensions

• Travaux nécessitant un contrôle strict des déformations

• Proximité d’ouvrages existants

• Roche argileuse

• …

Ces procédures sont citées ici pour mémoire :

• Recommandations CLOUTERRE 1991

• Essais de traction à déplacement contrôlé (vitesse constante)

• Essais de traction à effort contrôlé (paliers de fluage)

• Norme NF P 94-242-1 (1993) – Essai statique d’arrachement de clou soumis

à un effort axial de traction – Essai à vitesse de déplacement constante

• ISRM - Suggested Method for Rock Anchorage Testing (1985)

• Norme NF P 94-153 (1993) – Essai statique de tirant d’ancrage

• Chapitre 6 des recommandations TA 95

• NF EN 1537 – Exécution des tirants d’ancrage : plusieurs méthodes d’essais

proposées au § 9 et en annexe E

6.4 -Surveillance des boulons en cours de chantier

En phase d’excavation, à une distance en arrière du front qui est fonction des

vibrations engendrées par les tirs d’explosif, ou sous l’effet d’un glissement

de l’ancrage, il convient de vérifier le serrage des écrous et de procéder, si

nécessaire, à un resserrage systématique de l’ensemble des boulons à ancrage

ponctuel. Ce type de contrôle est également souhaitable avant la mise en place

des dernières passes de béton projeté ou avant la mise en place de l’étanchéité

ou du revêtement selon le cas.

Les boulons dont la tête casse sont à changer ou à remplacer par un autre

moyen de soutènement.

Pour mémoire, il est possible de suivre l’évolution dans le temps de la tension

d’un boulon en interposant entre la tête du boulon et le rocher, soit une cale

dynamométrique, soit une cellule de chargement.

Un contrôle global du système de soutènement que constitue le boulonnage

associé ou non à du béton projeté est réalisé notamment par les mesures de

convergence dans le cadre de la méthode de "conception interactive" ancien-

nement dénommée "méthode observationnelle". En cas de détection d’un

comportement jugé anormal, il peut s’avérer nécessaire de procéder à un ren-


Fig. 32 - Essai de contrôle. Programme de chargement – déchargement (selon XP P 94-444).

T Force de tractionTe Force de traction imposée par le contrôlet Temps, en minutesP Phase préparatoire de l’essai


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forcement du système de boulonnage (augmentation de la densité, du diamètre

et/ou de la longueur des boulons, réduction du délai de mise en œuvre par rapport

à l’avancement du front, choix d’un autre type de boulon…), ou à une modifi-

cation complète du système de soutènement (cintres lourds par exemple).

Si, à la mise en tension d’un boulon à ancrage ponctuel ou après un certain

temps, il se produit un écaillage ou un délitage de la roche et que le contact

de la plaque d’ancrage n’est plus assuré avec le terrain, le boulon devenu inef-

ficace doit alors être remplacé.

Dans les ouvrages où le soutènement reste apparent, il est indispensable pour

assurer la pérennité du soutènement que l’entreprise jusqu'à la réception de

l'ouvrage, ou le Maître d’ouvrage au cours de la vie de l’ouvrage, procède à des

actions de surveillance périodiques et réalise ensuite les actions adéquates.

Les circulations d’eau, surtout si elles sont particulièrement agressives, peu-

vent entrainer la rouille de l’acier qui diminue l’efficacité du boulon et de son

ancrage. Il est d’ailleurs recommandé d’avoir recours dans ce cas à des pro-

duits protégés contre la corrosion, ou à mettre des boulons à ancrage réparti,

ou encore à sceller sur toute leur longueur les boulons à ancrage ponctuel

après leur mise en tension, à protéger la plaque et l’écrou. Néanmoins ces

précautions ne dispensent pas des contrôles périodiques.


Légende

++++ Recommandé

+++ Bon

++ Moyen

+ Passable

o Non recommandé

A vérifier

Traction : Aptitude à retenir ou porter : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon

Cisaillement : Résistance aux mouvements latéraux : elle dépend aussi des caractéristiques mécaniques du boulon

Terrain fracturé : Terrain avec un RQD faible : risques de coincement

Action : Action immédiate ou différée

Eau : Débit du forage

Etanchéité ou drainage recherché

R : Résine aqua-réactive t

* Boulon "coulissant" qui, aprés un glissement, conserve une efficacité

7 - Matrice d’interprétation-

Ce tableau est donné pour aider au choix en matière de boulonnage, il n'intègre pas le coût des fournitures et accessoires

BOULONS

DONNÉES

Boulons àancrageponctuel

Boulons à ancrage réparti Boulonsmixte

(ancrageponctuel +scellement)

Boulonshybride

(ancrage àfriction +

scellement)

Boulons Type"Cone

Bolt®" *

Boulons autoforeurs

Boulons à FrictionBoulons

Fibre de Verre

Boulons Carbone

Scellementmortier

Scellementrésine

Type "MinovaSDA®"

"Alwag" type ATPower®

Type "Swellex®"

Type "Split Set®"

Traction +++ ++++ ++++ ++++ +++ ++ +++ ++ +++ +++ ++ ++

Cisaillement + ++++ +++ +++ ++ ++++ +++ ++ ++ +++ ++ ++

Terrain fracturé ++ ++ + ++ +++ +++ ++++ +++ ++ ++ ++ ++

Forabilité terrainmédiocre

o + + o o + ++++ ++++ + o + +

Caractère permanent

+ ++++ +++ ++++ +++ ++++ +++ o ++ ++ + ++

Action immédiate ++++ o +++ ++++ ++++ +++ ++ ++++ ++++ ++++ +++ +++

Action différée ++ +++ ++++ +++ +++ ++++ ++ +++ +++ +++ +++

Gêne due à la présence d'eau

++++ + +++ R ++ ++ ++ + ++++ ++++ +++ ++ R ++ R

Drainage d'eau ++++ ++ + ++ + ++ ++ +++ ++ ++++ ++ ++

Etanchéité à l'eau o ++ +++ R ++ ++ ++ ++ o + + ++ ++

Temps de mise en œuvre

++++ ++ +++ +++ ++ +++ +++ ++++ ++++ +++ +++


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