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1/ Cavités souterraines : prévenir les risques d’effondrementLes cavités souterraines et les désordres qu’elles sont susceptibles d’entraîner constituent un risque majeur pour les aménagements et parfois pour la vie humaine. La prévention et la gestion de ce risque s’appuient sur la connaissance scientifique développée par le BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières).

formant des cavités de tailles très variables. Les cavités anthropiques, c’est-à-dire d’origine humaine, sont multiples : des carrières (essentiellement à faible profondeur, de 5 à 50 mètres), des mines, des troglodytes (à flanc de coteaux), des caves (en zones bâties), ainsi que des ouvrages civils ou militaires. Ces cavités sont susceptibles d’évoluer si elles manquent d’entretien, ce qui les rend plus dangereuses selon leur proximité à la surface, surtout en zone urbaine.Toutes les régions françaises sont concernées par ce risque. Cependant selon la nature des sols, la répartition des cavités varie, qu’elles soient d’origine naturelle (formation de réseaux karstiques dans les calcaires du Sud de la France par exemple) ou dues aux activités humaines : creusement de caves pour le stockage de vin dans le Val de Loire, exploitation du calcaire du

Notre sous-sol est traversé par un nombre considérable de cavités souterraines, naturelles ou liées aux activités humaines. Une fois oubliées, ces cavités représentent un risque d’effondrement potentiellement très destructeur, notamment en milieu urbain où se concentrent les enjeux. Aujourd’hui, sont répértoriées près de 500 000 cavités souterraines sur tout le territoire français. En ce sens, le BRGM met en place les outils nécessaires à la prévention et à la gestion du risque d’effondrement : inventaires départementaux, banques de données nationales, cartographie de l’aléa, identification et modélisation des phénomènes, investigations spécifiques, suivi de l’évolution, recommandations pour les mises en sécurité.Différents types de cavités existent. La majorité des cavités naturelles sont créées par la dissolution des roches sédimentaires due à la circulation de l’eau (karst, gypse naturel),

MINE OU CARRIÈRE ?

La différence entre les mines et les carrières vient du type de matériau extrait, entrainant l’application d’un code ou d’un autre. S’il s’agit de ressources jugées stratégiques pour la nation (combus-tibles fossiles, métaux, éléments radioactifs, etc.), on parle de mines, et on applique le Code Minier. S’il s’agit de matériaux servant essen-tiellement dans la construction, on parle de carrières, et on applique le Code de l’Environnement.

Effondrement d’une habitation suite à l’apparition d’un fontis, St-Pryvé-St-Mesmin (45), en 2010.© BRGM - Alexis GutieRRez

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2/ Un risque pour les constructions et les populations La présence d’une cavité engendre la modification de l’équilibre des éléments dans le sol. Pour tous les types de cavités, des dégradations sont à prévoir du fait que les caractéristiques mécaniques du matériau encaissant diminuent progressivement.

Dernier exemple marquant en date : fin mai 2016, à la suite de fortes précipitations sur une grande partie de la France, près d’une centaine d’effondrements de terrain sont constatés dans

La dégradation en profondeur d’une cavité souterraine peut se présenter en surface sous deux formes : soit par un affaissement, soit par un effondrement (voir définitions p. 7). Ces désordres de surface peuvent provoquer ou amplifier d’autres risques de pollution ou de contamination des nappes souterraines.

L’eau, un facteur aggravantL’eau est un facteur déclencheur ou aggravant pour l’effondrement de cavités. En cas de forte circulation d’eau dans le sol, des mouvements de terrain ou des fissures peuvent en effet rapidement apparaitre ou s’agrandir, et parfois provoquer un effondrement brutal en surface.

Fin mai 2016, des inondations ont provoqué une centaine d’effondrements dans le Loiret comme ici à Chécy.© BRGM - ARthuR de pAs

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UN RISQUE, MAIS AUSSI UNE RICHESSE

Quelles que soient leurs origines, les cavités constituent des éléments culturels précieux et sont, dans la mémoire collective, généralement associées à des évènements historiques marquants. Les réseaux karstiques et les galeries, aménagées ou non, trouvent ainsi un usage patrimonial de premier ordre au sein du paysage culturel, religieux (chapelles, catacombes…) et touristique.

Par exemple, pour mieux connaître les trames urbaines anciennes de la ville d’Orléans, le projet Sicavor (Système d’informa-tion contextuel sur les caves et cavités d’Orléans, 2014-2017) inventorie les anciennes trames urbaines souterraines de deux quartiers historiques. Associant architecture et sciences de la terre, le projet regroupe les compétences complémentaires de l’Université de Tours et des services d’Orléans métropole (archéologie et prévention des risques). Le BRGM y apporte sa contribution en replaçant ce monde souterrain dans son contexte géologique et en évaluant les risques de mouvements de terrain associés.

Enfin, alors que la flore y est plutôt peu abondante en raison du manque de lumière, de nombreuses espèces animales s’approprient les cavités souterraines. Afin de veiller à la protection des chauves-souris, le Conservatoire d’espaces naturels Midi-Pyrénées a mené avec l’appui du BRGM une démarche de mise en sécurité des cavités et mines abandonnées, en y préservant les conditions abiotiques (aération, température…).

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le Loiret en quelques semaines. L’élément clé à l’origine de ces phénomènes : des infiltrations massives d’eau dans le sous-sol ont déstabilisé des configurations souterraines parfois déjà fragilisées.Autre exemple en 2001, après des mois particulièrement pluvieux dans le département de la Somme, plus d’un millier d’effondrements affectent le plateau picard, provoquant des dommages importants aux habitations et aux infrastructures, routières en particulier. La remontée de la nappe phréatique, couplée à la forte densité des cavités souterraines (notamment celles liées à la 1ère Guerre Mondiale) explique une partie de ce phénomène. La catastrophe la plus marquante reste celle de juin 1961 à Clamart (92). Des pluies diluviennes finissent de fragiliser une carrière avec une configuration en limite d’équilibre, provoquant un effondrement qui détruit 23 immeubles et 6 rues sur plus de 6 hectares de zone urbanisée.

Un plan national pour la prévention du risqueDans l’objectif de structurer la politique de prévention dédiée au risque cavités et à la suite d’une large consultation nationale, la DGPR (Direction Générale de la Prévention des Risques) a initié en 2013 un plan national d’actions pour la prévention des risques liés aux cavités souterraines. Clôturé en 2016, le plan s’est décliné en 3 axes :• Favoriser l’émergence de stratégies locales de prévention du risque,• Informer, former et sensibiliser les acteurs de la prévention du risque,• Améliorer le savoir et mieux partager la connaissance.

CADRE RÉGLEMENTAIRE

Au titre réglementaire, les cavités souterraines sont de deux types : soit minières, soit naturelles ou anthropiques.

Le Code Civil définit la responsabilité du proprié-taire de la cavité, qui est souvent le propriétaire du sol, sauf dans des cas spécifiques. Cette respon-sabilité inclut la prévention du risque d’effondre-ment, par comblement par exemple. Cela exclut les mines, où la responsabilité appartient généra-lement à l’exploitant ou à l’Etat .

Par ailleurs, suite à la Loi Bachelot du 30 juillet 2003, « toute personne qui a connaissance de la présence d’une cavité souterraine ou d’une marnière dont l’effondrement est susceptible de porter atteinte aux personnes ou aux biens, ou d’un indice susceptible de révéler cette existence, en informe le Maire ». Ceci permet aux autorités chargées de l’inventaire et de la mise en sécurité des cavités de prévoir, si besoin, un Plan de prévention des risques (PPR) à mettre en œuvre.

Pour accéder aux informations liées au risque d’effondrement dans les communes exposées, un Plan local d’urbanisme (PLU) intègre généralement un recensement des cavités de la commune, certaines zones étant alors inconstructibles sous conditions. Parfois, le PPR présente également les risques encourus et délimite les zones exposées en y réglementant la construction.

Effondrement d’une cavité souterraine en zone urbaine au niveau d’une habitation.© BRGM

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3/ Approche scientifique menée par le BRGM L’inventaire, la détection et la caractérisation des cavités permettent de les situer, d’évaluer leur degré de fragilité et d’anticiper d’éventuelles dégradations pouvant remonter jusqu’en surface.

cavité, ses dimensions et son origine, pour en déduire les risques associés.Avec le soutien du Ministère de l’Environnement et du Ministère de de la Recherche, la base de données nationale Géorisques (www.georisques.gouv.fr) s’intègre dans la politique de prévention des risques naturels. Elle recense les cavités souterraines abandonnées (hors mines) sur l’ensemble du territoire métropolitain, et met à disposition les informations de base permettant l’étude des phénomènes liés aux cavités.Aujourd’hui, on estime qu’environ 500 000 cavités sont potentiellement présentes dans le sous-sol français. L’inventaire de plusieurs grandes villes est en cours, notamment à Strasbourg, Reims, Clermont-Ferrand et Limoges, où la présence de cavités souterraines est dense et à surveiller.

Évaluer les risques dans les zones urbainesAfin de compléter les inventaires, une expertise géotechnique peut être réalisée. Elle croise plusieurs critères (géologie, topographie, toponymie, profondeur de la nappe phréatique…) pour connaitre la composition du sous-sol et la structure du terrain.Pour prévoir les évolutions des cavités accessibles, des inspections sont réalisées afin d’anticiper les aléas à la surface, avec le suivi de différents indicateurs de dégradation : infiltrations d’eau, altération de la structure du toit de la cavité ou du sol, état des piliers…Ces diagnostics souterrains sont croisés avec les enjeux situés en surface (habitations, voirie, zones urbaines…) pour déterminer le risque encouru à court ou moyen terme. Si le risque est jugé faible à moyen, une surveillance régulière de la cavité peut suffire, voire une installation de capteurs de suivi de déformation. Dans le cas d’un risque fort, des travaux de confortement ou de comblement de la cavité sont généralement conduits par des entreprises spécialisées, ou des procédures d’expropriation peuvent être engagées.

Toutes les cavités ne sont pas connues. Lorsqu’elles le sont elles peuvent parfois même être oubliées. Dans le cadre d’inventaires départementaux, le BRGM localise les cavités à partir d’enquêtes documentaires (archives publiques, presse locale, rapports d’étude), d’informations recueillies auprès des mairies et d’observations sur le terrain.

500 000 cavités à l’échelle du territoireDans le cas où une cavité localisée est visitable, une opération de relevé géométrique peut être entreprise en sous-sol. Si elle n’est pas accessible, d’autres méthodes sont parfois utilisées depuis la surface (sismique, électrique, électromagnétique, ou microgravimétrie). Ces procédures de recensement et de recherche permettent de déterminer la typologie de la

Densité de cavités par commune (hors mines, hors Ile-de-France).© BRGM 2016

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4/ Des méthodes de plus en plus précises et efficaces Géologie, géotechnique, hydro-géologie, géophysique, topographie... Au BRGM, les chercheurs associent leurs compétences pour développer de nouveaux procédés permettant de mieux comprendre les cavités et réduire les risques liés aux mouvements de terrain.

Cartographier les galeries souterraines en les scannant de l’intérieurLes méthodes topographiques « classiques » sont souvent contraintes en milieu souterrain : absence de signal GPS, progression lente, objets géologiques parfois instables… Aujourd’hui, lorsque les vides souterrains sont accessibles par un opérateur, les scanners laser portables permettent de s’affranchir de ces contraintes. Il est désormais possible de déterminer la position d’une cavité, ses dimensions et sa profondeur par rapport à la surface, grâce à des nuages de points d’une précision centimétrique, précision inégalée à ce jour.Après des tests concluants, le BRGM développe des méthodes de traitement et d’interprétation de données extraites du Zébédée, un outil de scanning laser 3D mobile. Il permet une saisie des données géométriques précise, de haute qualité, plus rapide que les techniques t r a d i t i o n n e l l e s . L’objectif est de relever ave c u n e g ra n d e précision et à moindre coût les informations n é c e s s a i r e s à l a cartographie de l’aléa e ff o n d r e m e n t d e cavités et de délimiter des zones de danger en reliant les données du sous-sol et de la surface.

Recenser les cavités par méthodes aériennesAu-delà d’une classique reconnaissance visuelle par survol aérien, la méthode aéroportée de relevé par LiDAR (détection par balayage de la lumière), à l’aide d’un drone par exemple, permet de détecter les traces laissées à la surface du sol par des cavités. Cette technologie, qui a déjà été appliquée dans des contextes karstiques, notamment en Lorraine, permet de mesurer précisément les dimensions des cavités et ainsi de fournir une quantité massive d’information en vue d’études statistiques.Les renseignements acquis par cette méthode contribuent largement à l’amélioration de la qualité des données de terrain en haute résolution, en s’affranchissant des difficultés de mesure pouvant être générées par la végétation.

Visualisation de la détection de cavités par LiDAR aéroporté effectuée au dessus d’une forêt en Lorraine où des dépressions (dolines) apparaissent lorsqu’on retire la végétation. Scène A vue du ciel, scène B avec la végétation partiellement enlevée.© BRGM - thoMAs dewez >>>

Opération de scanning d’une galerie souterraine sous le Musée Saint-Remi de Reims avec l’outil ZEB-Revo© BRGM

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Détecter les cavités depuis la surface en mesurant les variations de la pesanteurPlusieurs méthodes géophysiques peuvent être utilisées pour détecter la présence de cavités souterraines. Lorsqu’elles sont inaccessibles par l’homme, la méthode gravimétrique est l’une d’entre elles.En mesurant les variations d’attraction de la pesanteur à la surface du sol (un vide se manifestant par une diminution de l’attraction), cette méthode est utilisée pour réaliser les recensements de cavité en milieu urbain, depuis la surface.

Anticiper l’apparition de fontis grâce à des capteurs de déformationLes conduits naturels (dits karstiques) formés par la dissolution des calcaires peuvent être à l’origine de fontis, généralement à cause

de 2 processus : soit par départ de sédiments souterrains vers les conduits karstiques actifs (où l’eau circule), soit par rupture du toit calcaire d’un conduit naturel, entrainant dans tous les cas l’effondrement des terrains sus-jacents.Pour prévenir l’apparition de fontis dans les calcaires de Beauce, le projet i-Fontis a développé l’utilisation de capteurs de déformation et de caractérisation des eaux sur un site test du val d’Orléans. Complétant les méthodes de caractérisation géophysique, la mise en place et le suivi de ces capteurs

ont permis d’améliorer la compréhension des processus d’apparition des fontis, dans une perspective de gestion du risque.

LE BRGM, EXPERT DU RISQUE CAVITÉ

Expert dans le domaine des risques du sol et du sous-sol, le BRGM étudie différents risques géologiques : retrait-gonflement des sols argileux, inondations par remontée de nappes, séismes, tsunamis, mouvements de terrain (chute de blocs, glissement de terrain, effondrement de cavités souterraines). Pour ces différents phénomènes et notamment pour les cavités, le BRGM poursuit ainsi plusieurs objectifs :• Comprendre et analyser les mécanismes des aléas de terrain,• Développer des méthodes de mesures in situ,• Développer des outils de modélisation et de cartographie de l’aléa à différentes échelles (agglo-mération, département, région…),• Mettre au point des systèmes de surveillance dans les régions vulnérables et les sites à forts enjeux.

Modéliser les mouvements de terrain en anticipant les effets de l’eau dans le solEn complément des mesures sur le terrain, les modèles, outils numériques de calcul, permettent d’évaluer le risque mouvement de terrain lié aux cavités. Par exemple en calculant le risque de fragilisation d’éléments porteurs (pilier ou toit) dans les carrières ou les mines. Mais certains paramètres sont encore mal connus car difficilement modélisables, notamment par rapport au rôle de l’eau dans l’érosion interne des karsts actifs. Un processus illustré par les nombreux effondrements ayant eu lieu dans le Loiret en 2016, suite aux inondations du printemps.Une collaboration entre le BRGM et l’IRSTEA fournit de premiers éléments pour mieux anticiper cette instabilité très particulière liée à l’eau. La combinaison de deux méthodes de modélisation n u m é r i q u e (l’une traitant les fluides et l’autre l e s p a r t i c u l e s solides) aboutit à des résultats très prometteurs en représentant des effondrements jusqu’alors uniquement théorisés. A terme, en prenant en compte les caractéristiques du sol, cette approche pourrait aider à déterminer un seuil à partir duquel la pression due à l’eau risque d’engendrer une rupture du terrain.

Topographie fine de la surface du sol sur un affaissement en cours de formation, en vue de mesures géophysiques en microgravimétrie © BRGM - GildAs NouRy

Modélisation de l’érosion d’un matériau granulaire déclanchée par la pression exercée par l’eau. Les éléments en mouvement sont représentés en rouge.© BRGM-iRsteA

Figure 2. Yield surface of cohesive bonds in the space of inter-

action normal and shear forces (Fn, Fs), from [6]

Table 1). In the present numerical model, the normal and

shear yield thresholds Cn and Cs are assumed to depend

only on a single parameter C=Cn= 2·Cs, which represents

the inter-particle bond strength.

To deal with the solid-fluid coupling, we use a rela-

tionship based on a momentum-exchange method [11].

Finally, the LBM calculation is implemented with a hy-

draulic radius smaller than the real particule radius to re-

cover a non-zero permeability in our 2D description.

Using this combined DEM-LBM method, we thus in-

tend to model a specific soil erosion situation. The sim-

ulation setup consists in a conduit initially clogged by an

immersed granular assembly as sketched in Figure 1b. In

order to impose a preferential path for the flow within the

granular sample, two soil cohesions are settled. In the

external layers, the bond strength is fixed at C=1000 N,

whereas in the central layer we set a much weaker cohe-

sion magnitudes from 5 to 20 N. The erosion of the soil

layer is triggered by a pressure gradient. As listed in Table

1, we simulate two samples of D=6 mm diameter grains,

with a same height but two different lengths L, correspond-

ing to particle numbers Np equal to 11816 and to 3042.

In the following, the soil cohesion is characterized

by a dimensionless cohesion number defined as the ra-

tio of bond strength to the particle’s own buoyant weight,

Coh = C/(ρs − ρ f )gV , where ρs − ρ f is the submerged

apparent density, g is the gravitational acceleration and

V is the particle’s volume. The initiation of motion in

sediment transport is classically analysed by defining the

Shields number (the ratio of fluid force on the particle to

the weight of the particle). Notice that for the cemented

soil we model here, this criterion should be extended by

introducing the cohesion number Coh. Work is under way

on this issue.

3 Erosion regimes

The behavior of the granular layer submitted to a gradi-

ent pressure is parametrically studied. Table 1 reports the

parameters implemented. By varying the conduit size ∆

defined by ∆ = l/D, the granular cohesion given by the

cohesion number Coh and the inlet fluid pressure P, we ob-

serve a "blocking" stable case where no erosion occurs and

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00

Velocity (m s-1)

0.76 ms 1.08 ms 1.39 ms

1.39 ms

=19

Coh=52

2.18 ms 3.73 ms

=17

Coh=33

=19

Coh=26

0.44 ms 0.76 ms 0.92 ms

(a)

(b)

(c)

Figure 3. Different erosion regimes for the sample Np=3042 and

at P=10 Pa: (a) cavity formation, (b) backward extrusion and (c)

plug extrusion

Opération de relevé gravimétrique et localisation par GPS différentiel.© BRGM

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5/ DéfinitionsLe vocabulaire lié à l’aléa cavités est complexe puisqu’il définit les dégradations de l’état d’un vide souterrain en couvrant à la fois le processus de formation de l’aléa, ainsi que sa forme. D’un affaissement ou de l’effondrement d’une cavité peuvent donc découler plusieurs types de paysages géologiques.

1. Rupture du toit de la cavité 2. Formation de la cloche d’effondrement

3. Remontée de la cloche 4. Rupture brutale des terrains mobilisables et effondrement

localisé en surface

Processus de formation d’un effondrement localisé d’une cavité souterraine.© BRGM

Gouffre (ou abîme) : Cavité béante d’une grande profondeur, étendue à la verticale, provoquée par un effondrement local du toit d’une cavité souterraine souvent d’origine karstique. On les retrouve souvent dans les régions calcaires.

Effondrement généralisé : Abaissement violent de la surface pouvant atteindre plusieurs hectares en surface et plusieurs mètres de profondeur. Il est spécifique des mines et des carrières exploitées par chambres et piliers. Ce phénomène est très destructeur et peut faire des victimes mais reste heureusement rare.

Effondrement localisé (fontis) :Effondrement brutal mais localisé se manifestant sous la forme d’un entonnoir ou d’un cratère. Le diamètre et la profondeur du cône peuvent atteindre plusieurs mètres et le caractère brutal de l’évènement peut faire des victimes. C’est le cas par exemple des débourrages de puits dans les carrières.

Affaissement : Déformation souple, sans rupture et progressive de la surface du sol se traduisant par une dépression en forme de cuvette, généralement à fond plat, et sur des terrains plutôt élastiques qui vont supporter la déformation sans rompre. Pas de victimes en raison de la progressivité du phénomène mais d’importants dégâts possibles sur les constructions.

Doline : Résultat d’un affaissement circulaire fermé pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres de diamètre, de nature karstique due à l’érosion des calcaires de surface. Leur fond, souvent plat, est généralement composé d’argiles ou de terre rouge fertiles constituant un microclimat favorable à la culture. Phénomène peu grave car long à mettre en place.