Le boulon : un élément du système de soutènement, et non une protection autonome

Le boulon d’ancrage est souvent présenté comme l’élément de base de la protection d’une excavation souterraine. C’est vrai, mais seulement en partie. La simple présence d’une tige d’acier dans un forage ne signifie pas encore que le toit ou le parement a été efficacement sécurisé. Le boulon doit être correctement mis en place, convenablement relié à la surface du massif rocheux et intégré à l’ensemble du système de soutènement. C’est alors seulement qu’il peut reprendre des charges, limiter le déplacement des blocs rocheux et mobiliser la capacité portante des roches environnantes.

En pratique, le soutènement par boulonnage est un système d’éléments qui interagissent. Il comprend non seulement les boulons, mais aussi les plaques d’appui, les écrous, le grillage, les feuillards métalliques, le béton projeté, les appuis, les cintres métalliques et d’autres éléments de surface. Chacun d’eux remplit une fonction différente, et l’efficacité de la protection dépend de leur bonne adaptation mutuelle.

Le boulon renforce le massif rocheux, mais ne protège pas toute la surface

La tâche principale du boulon est de limiter les déplacements relatifs au sein du massif rocheux. Il peut solidariser les bancs rocheux, stabiliser des dièdres, transmettre des charges à travers les discontinuités ou relier la zone fracturée à la partie plus profonde et plus stable du massif.

L’action d’un boulon isolé a cependant un caractère local. Le boulon répond efficacement aux déplacements dans son voisinage immédiat, mais il ne ferme pas l’espace entre les points d’ancrage voisins. Si la surface du toit est fortement fracturée, de petits fragments de roche peuvent s’en détacher, même lorsque les bancs plus importants restent stabilisés.

C’est pourquoi il faut distinguer deux tâches du soutènement : le renforcement du massif et la protection de la surface de l’excavation. Les boulons sont responsables avant tout de la première. Le grillage, le béton projeté et les feuillards – plaqués contre la paroi par les plaques d’appui – limitent quant à eux le détachement de la roche entre les boulons.

La plaque d’appui, lien entre le boulon et la surface du massif

La plaque d’appui peut ressembler à un simple accessoire, mais son rôle est fondamental. C’est par la plaque que l’effort de la tige du boulon est transmis à la surface de la roche, au grillage, au feuillard ou à la couche de béton projeté.

Une plaque trop petite ou mal adaptée peut s’enfoncer dans une roche affaiblie, se déformer ou perdre le contact avec une surface irrégulière. Dans ce cas, le boulon peut être correctement mis en place dans le forage et pourtant ne pas assurer le contrôle attendu de la surface du toit.

Dans les roches irrégulières, fortement fracturées ou sujettes à l’écrasement, les plaques profilées, bombées ou équipées d’éléments permettant l’alignement avec la direction de la tige sont avantageuses. Une plus grande surface de plaque réduit la pression unitaire sur la roche, mais accroît en même temps les exigences de rigidité. Une tôle grande mais trop mince peut se déformer facilement et ne pas transmettre la charge de manière prévisible.

Le serrage correct de l’écrou est également essentiel. Un effort de serrage trop faible laisse du jeu entre la plaque et la surface, tandis qu’un couple de serrage excessif peut endommager la roche, le filetage ou la plaque elle-même. Dans les systèmes actifs, le serrage participe à la précontrainte voulue du boulon. Dans les systèmes passifs, son importance peut être moindre, mais il doit toujours assurer un contact fiable des éléments de surface.

L’interaction entre les boulons et le grillage

Le grillage remplit une fonction de surface. Il retient les petits fragments de roche, limite leur chute dans l’excavation et répartit les charges locales sur plusieurs boulons voisins. Il ne renforce cependant pas le massif rocheux comme le font les boulons. Sans fixation correcte, il ne reste qu’un écran lâche, sans réelle efficacité.

L’efficacité du grillage dépend de sa rigidité, de la résistance des fils, du mode d’assemblage des panneaux et de leur fixation au niveau des plaques d’appui. Un bon contact avec la surface est également important. De grands vides entre le grillage et la roche permettent aux fragments détachés de prendre de la vitesse avant de frapper la protection. Dans ces conditions, la charge dynamique sur le grillage et les boulons peut être nettement plus élevée qu’avec un contact étroit.

Les recouvrements des panneaux successifs doivent être réalisés de manière à ne laisser aucun interstice non protégé. Aux endroits où la structure du massif est particulièrement défavorable, le grillage peut être complété par des feuillards métalliques. Les feuillards relient plusieurs points d’ancrage et transmettent plus efficacement les charges linéaires, par exemple le long d’une fracture ou d’un banc affaibli.

Boulons et béton projeté

Le béton projeté forme une couche de surface continue qui limite le détachement des petits fragments, protège la surface contre l’altération et améliore l’interaction entre les différents éléments du soutènement. Associé aux boulons, il peut créer un système tridimensionnel : les boulons stabilisent le massif en profondeur, tandis que la coque projetée contrôle sa surface.

Il importe toutefois de ne pas considérer le béton projeté comme une couche décorative appliquée sur un support préparé n’importe comment. Sa capacité portante dépend de l’épaisseur, de la qualité du mélange, de l’adhérence à la roche, de l’armature et des conditions de cure. Un support contaminé par la poussière, l’eau ou des fragments détachés peut réduire considérablement l’adhérence de la coque.

Les boulons peuvent être mis en place avant la projection ou après l’application de la première couche. L’ordre des travaux doit découler de la technologie retenue et des conditions géologiques. Dans un massif faible qui se décomprime rapidement, le délai entre l’exposition de la surface et la mise en place de la protection doit être aussi court que possible. Même un soutènement bien conçu peut se révéler inefficace s’il n’est installé qu’après le développement de déformations importantes.

Avec le béton projeté renforcé de fibres, le grillage traditionnel peut être partiellement ou totalement remplacé, mais ce n’est pas une règle. Le choix dépend de la ductilité requise, des déplacements attendus, de la nature des charges et du mode de fissuration admissible de la coque.

L’interaction avec les appuis et le soutènement métallique

Dans des conditions géologiques plus difficiles, le soutènement par boulonnage peut être associé à des appuis ponctuels, des étançons, des empilages de bois ou des cintres métalliques. Une telle solution ne signifie pas nécessairement que les boulons sont inefficaces. Les différents éléments peuvent reprendre des types de charges différents et entrer en action à des stades de déformation différents.

Les boulons limitent le décollement des bancs et le développement de la zone fracturée. Les appuis assurent un soutien direct du toit, mais n’agissent qu’en des points déterminés. Le soutènement métallique constitue un appui plus continu sur le pourtour et peut reprendre des charges considérables, mais il exige un bon contact avec le massif. Les vides entre le cintre et le profil de l’excavation provoquent des concentrations de contraintes et retardent la mise en charge de la structure.

Les boulons installés entre les cintres peuvent stabiliser la roche dans les zones que le soutènement par cintres seul ne contrôle pas efficacement. Inversement, les cintres peuvent limiter les déformations lorsque l’ampleur des déplacements dépasse les possibilités d’un système de boulonnage classique.

Dans les systèmes mixtes, il faut tenir compte de la rigidité des différents éléments. Un soutènement très rigide peut reprendre rapidement la charge, mais être sensible aux grandes déformations. Un soutènement plus déformable autorise des déplacements contrôlés, mais exige une réserve de capacité portante et une capacité d’absorption d’énergie suffisantes.

Le système n’est pas plus résistant que son maillon le plus faible

La capacité d’un boulon déterminée à partir de la résistance de la tige n’équivaut pas à la capacité de l’ensemble de la protection. La ruine peut résulter de la rupture de l’acier, de la perte d’adhérence du produit de scellement, de l’arrachement de l’ancrage, de l’endommagement du filetage, du poinçonnement de la roche sous la plaque, de la déchirure du grillage ou de la perte de contact entre les éléments.

La conception du soutènement doit donc couvrir l’ensemble du chemin de transmission des efforts : depuis le massif qui se déforme, en passant par le produit de scellement et la tige, jusqu’à la plaque d’appui et la protection de surface. Chacun de ces éléments doit posséder une capacité portante, une rigidité et une capacité de déformation appropriées.

La qualité d’exécution est tout aussi importante. Un diamètre de forage incorrect, un malaxage insuffisant de la cartouche de résine, le serrage de l’écrou avant l’écoulement du temps de prise requis, un grillage endommagé ou des plaques d’appui n’épousant pas correctement la surface peuvent affaiblir le système davantage qu’une petite erreur dans les calculs de dimensionnement eux-mêmes.

Le soutènement doit réagir comme un tout

Le boulon n’est pas un soutien autonome du toit. Il est l’un des éléments d’un système dont la tâche est de maîtriser les déformations du massif rocheux de manière à ce qu’il conserve la plus grande part possible de sa propre capacité portante. Le grillage contrôle les petits détachements, la plaque d’appui transmet la charge, le béton projeté forme une coque continue, les appuis assurent un soutien local et le soutènement métallique peut stabiliser tout le profil de l’excavation.

Un bon système de soutènement ne consiste pas à simplement ajouter des éléments supplémentaires. Il doit être conçu de sorte que les différentes protections se complètent mutuellement, entrent en action au bon moment et conservent leur capacité dans la plage de déformations prévue. C’est alors seulement que le boulonnage devient un véritable renforcement du massif rocheux, et non la simple mise en place de tiges d’acier dans des forages.