Méthodologie intégrée de microgravimétrie en milieu urbain : test d'application au génie civil sur le métro M2 de Lausanne

RESUME Dès le printemps 2004, la construction d'une 2ème ligne de métro est entreprise dans la ville de Lausanne en Suisse. En reliant Ouchy, au bord du lac Léman (alt. 373 m) à Epalinges (alt. 711 m), le nouveau métro "M2" traversera dès 2008 l'agglomération lausannoise du Sud au Nord sur une distance de 6 km. Depuis l'avant-projet, en 1999, une grande quantité de données géologiques a été récolté et de nombreux forages exécutés sur le site. Ceci nous a donné une occasion unique d'entreprendre une étude de microgravimétrique urbaine de détail. Le mode de creusement du tunnel dépend fortement des matériaux à excaver et il est classiquement du domaine du géologue, avec ses connaissances de la géologie régionale et de la stratigraphie des forages, de fournir à l'ingénieur un modèle géologique. Ce modèle indiquera dans ce cas l'épaisseur des terrains meubles qui recouvrent le soubassement rocheux. La représentativité spatiale d'une information très localisée, comme celle d'un forage, est d'autant plus compliquée que le détail recherché est petit. C'est à ce moment là que la prospection géophysique, plus spécialement gravimétrique, peut apporter des informations complémentaires déterminantes pour régionaliser les données ponctuelles des forages. La microgravimétrie en milieu urbain implique de corriger avec soin les perturbations gravifiques sur la mesure de la pesanteur dues aux effets de la topographie, des bâtiments et des caves afin d'isoler l'effet gravifique dû exclusivement à l'épaisseur du remplissage des terrains meubles. Tenant compte de l'intensité des corrections topographiques en milieu urbain, nous avons donné une grande importance aux sous-sols, leurs effets gravifiques pouvant atteindre l'ordre du dixième de mGal. Nous avons donc intégré ces corrections celle de topographie et traité les effets des bâtiments de manière indépendante. Nous avons inclus dans le modèle numérique de terrain (MNT) la chaussée et les sous-sols afin de construire un modèle numérique de terrain urbain. Nous utiliserons un nouvel acronyme « MNTU »pour décrire ce modèle. Nous proposons d'établir des cartes de corrections topographiques préalables, basées sur les données à disposition fournies par le cadastre en faisant des hypothèses sur la profondeur des sous-sols et la hauteur des bâtiments. Les deux zones de test choisies sont caractéristiques des différents types d'urbanisation présente à Lausanne et se révèlent par conséquent très intéressantes pour élaborer une méthodologie globale de la microgravimétrie urbaine. Le but était d'évaluer l'épaisseur du remplissage morainique sur un fond rocheux molassique se situant à une profondeur variable de quelques mètres à une trentaine de mètres et d'en établir une coupe dans l'axe du futur tracé du métro. Les résultats des modélisations se sont révélés très convaincants en détectant des zones qui diffèrent sensiblement du modèle géologique d'avant projet. Nous avons également démontré que l'application de cette méthode géophysique, non destructive, est à même de limiter le nombre de sondages mécaniques lors de l'avant-projet et du projet définitif, ce qui peut limiter à la fois les coûts et le dérangement engendré par ces travaux de surface. L'adaptabilité de la technique gravimétrique permet d'intervenir dans toutes les différentes phases d'un projet de génie civil comme celui de la construction d'un métro en souterrain. KURZFASSUNG Seit dem Frühling 2004 ist in der Stadt Lausanne (Schweiz) die neue U-Bahn "M2" in Konstruktion. Diese soll auf 6 km Länge die Lausanner Agglomeration von Süd nach Nord durchqueren. Die dem Projekt zu Grunde liegende technische Planung sieht vor, daß die Bahnlinie hauptsächlich in der Molasse angesiedelt sein wird. Seit dem Vorentwurf (1999) ist eine große Anzahl geologischer Angaben gesammelt worden. Daraus ergab sich die einmalige Gelegenheit, die Informationen aus den damit verbundenen zahlreichen Bohrungen zu einer detaillierten mikrogravimetrischen Studie der Stadt Lausanne zu erweitern und zu vervollständigen. Das Ziel bestand darin, die Mächtigkeit der die Molasseüberdeckenden Moräneablagerung abzuschätzen, um eine entsprechendes geologisches Profile entlang der künftigen Bahnlinie zu erstellen. Weiterhin sollte gezeigt werden, daß die Anwendung dieser nicht-invasiven geophysikalischen Methode es ermöglicht, die Anzahl der benötigten Bohrungen sowohl in der Pilotphase wie auch im endgültigen Projekt zu reduzieren, was zu wesentlichen finanziellen Einsparungen in der Ausführung des Werkes beitragen würde. Die beiden in dieser Studie bearbeiteten Testzonen befinden sich im Nordteil und im Stadtzentrum von Lausanne und sind durch eine unterschiedliche Urbanisierung charakterisiert. Das anstehende Gestein liegt in verschiedenen Tiefen: von einigen Metern bis zu etwa dreißig Metern. Diese Zonen weisen alle Schwierigkeiten einer urbanen Bebauung mit hoher Verkehrsdichte auf und waren daher massgebend bei der Ausarbeitung einer globalen mikrogravimetrischen Methodologie für die Stadt Lausanne. Die so entwickelte Technik ermöglicht, die störenden Auswirkungen der Topographie, der Gebäude, der Keller und der Öffentlichen Infrastrukturen sorgfältig zu korrigieren, um so die ausschließlich auf die Mächtigkeit des Lockergesteins zurückzuführenden Effekte zu isolieren. In Bezug auf die Intensität der Auswirkungen der topographischen Korrekturen im Stadtgebiet wurde den Untergeschossen eine besonders grosse Bedeutung zugemessen da die entsprechenden Schwerkrafteffekte eine Grösse von rund einem Zehntel mGal erreichen können. Wir schlagen deshalb vor, vorläufige Karten der topographischen Korrekturen zu erstellen. Diese Korrekturen basieren auf den uns vom Katasterplan gelieferten Daten und einigen Hypothesen bezüglich der Tiefe der Untergeschosse und der Höhe der Gebäude. Die Verfügbarkeit einer derartigen Karte vor der eigentlichen gravimetrischen Messkampagne würde uns erlauben, die Position der Meßstationen besser zu wählen. Wir sahen zudem, daß ein entsprechenden a priori Filter benutzt werden kann, wenn die Form und die Intensität der Anomalie offensichtlich dem entsprechenden Gebäude zugeordnet werden können. Diese Strategie muß jedoch mit Vorsicht angewandt werden, denn falls weitere Anomalien dazukommen, können bedeutende Verschiebungen durch Übèrlagerungen der Schwerewirkung verschiedener Strukturen entstehen. Die Ergebnisse der Modellierung haben sich als sehr überzeugend erwiesen, da sie im Voraus unbekannte sensible Zonen korrekt identifiziert haben. Die Anwendbarkeit der in dieser Arbeit entwickelten gravimetrischen Technik ermöglicht es, während allen Phasen eines Grossbauprojekts, wie zum Beispiel bei der Konstruktion einer unterirdischen U-Bahn, einzugreifen. ABSTRACT Since Spring of 2004 a new metro line has been under construction in the city of Lausanne in Switzerland. The new line, the M2, will be 6 km long and will traverse the city from south to north. The civil engineering project determined that the line would be located primarily in the Molasse. Since the preparatory project in 1999, a great quantity of geological data has been collected, and the many drillings made on the site have proved to be a unique opportunity to undertake a study of urban microgravimetry. The goal was to evaluate the thickness of the morainic filling over the molassic bedrock, and to establish a section along the axis of the future line. It then had to be shown that the application of this nondestructive geophysical method could reduce the number of mechanical surveys required both for a preparatory and a definitive project, which would lead to real savings in the realization of a civil engineering project. The two test zones chosen, one in the northern part of the city and one in the city centre, are characterised by various types of urbanisation. Bedrock is at a depth varying from a few metres to about thirty metres. These zones well exemplify the various difficulties encountered in an urban environment and are therefore very interesting for the development of an overall methodology of urban microgravimetry. Microgravimetry in an urban environment requires careful corrections for gravific disturbances due to the effects of topography, buildings, cellars, and the infrastructure of distribution networks, in order to isolate the gravific effect due exclusively to the thickness of loose soil filling. Bearing in mind the intensity of the topographic corrections in an urban environment, we gave particular importance to basements. Their gravific effects can reach the order of one tenth of one meal, and can influence above all the precision of the Bouguer anomaly. We propose to establish preliminary topographic correction charts based on data provided to us by the land register, by making assumptions on the depths of basements and the heights of buildings. Availability of this chart previous to a gravimetry campaign would enable us to choose optimum measuring sites. We have also seen that an a priori filter can be used when the form and the intensity of the anomaly correspond visually to the corresponding building. This strategy must be used with caution because if other anomalies are to be associated, important shifts can be generated by the superposition of the effects of different structures. The results of the model have proved to be very convincing in detecting previously unknown sensitive zones. The adaptability of the gravimetry technique allows for application in all phases of a civil engineering project such as the construction of an underground metro line. RIASSUNTO Dalla primavera 2004 una nuova linea metropolitana é in costruzione nella città di Losanna in Svizzera. La nuova metropolitana "M2" traverserà per la lunghezza di 6 km il centro urbano di Losanna da sud a nord. II progetto d'ingegneria civile prevedeva un tracciato situato essenzialmente nel fondo roccioso arenaceo terziario (molassa). Dalla redazione del progetto preliminare, avvenuta nel 1999, una grande quantità di dati geologici sono stati raccolti e sono stati eseguiti numerosi sondaggi. Questo sì é presentato come un'occasione unica per mettere a punto uno studio microgravimetrico in ambiente urbano con lo scopo di valutare lo spessore dei terreni sciolti di origine glaciale che ricoprono il fondo roccioso di molassa e di mettere in evidenza come l'applicazione di questo metodo geofisico non distruttivo possa limitare il numero di sondaggi meccanici nella fase di progetto preliminare ed esecutivo con conseguente reale risparmio economico nella realizzazione di una tale opera. Le due zone di test sono situate una nella zona nord e la seconda nel centro storico di Losanna e sono caratterizzate da stili architettonici differenti. II fondo roccioso é situato ad una profondità variabile da qualche metro ad una trentina. Queste due zone sembrano ben rappresentare tutte le difficoltà di un ambiente urbano e ben si prestano per elaborare una metodologia globale per la microgravimetria in ambiente urbano. L'applicazione di questa tecnica nell'ambiente suddetto implica la correzione attenta delle perturbazioni sulla misura dell'accelerazione gravitazionale, causate dalla topografia, gli edifici, le cantine e le infrastrutture dei sottoservizi, per ben isolare il segnale esclusivamente causato dallo spessore dei terreni sciolti. Tenuto conto, dell'intensità delle correzioni topografiche, abbiamo dato grande importanza alle cantine, poiché il loro effetto sulle misure può raggiungere il decimo di mGal. Proponiamo quindi di redigere una carta delle correzioni topografiche preliminare all'acquisizione, facendo delle ipotesi sulla profondità delle cantine e sull'altezza degli edifici, sulla base delle planimetrie catastali. L'analisi di questa carta permetterà di scegliere le posizioni più adatte per le stazioni gravimetriche. Abbiamo anche osservato che un filtro a priori, qualora la forma e l'intensità dell'anomalia fosse facilmente riconducibile in maniera visuale ad un edificio, possa essere efficace. Tuttavia questa strategia deve essere utilizzata con precauzione, poiché può introdurre uno scarto, qualora più anomalie, dovute a differenti strutture, si sovrappongano. I risultati delle modellizzazioni si sono rivelati convincenti, evidenziando zone sensibili non conosciute preventivamente. L'adattabilità della tecnica gravimetrica ha mostrato di poter intervenire in differenti fasi di un progetto di ingegneria civile, quale è quella di un'opera in sotterraneo