TUNNEL DE CAP ROUX - aftes.asso.fr · whether at project or construction stage, for ... rapport à la définition de celui de l’ouvrage ... (stations et repères de nivellement)

Gilles CHATENOUD CETU

David FAVERGEPERAZIO Geometre

TT

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TUNNEL DE CAP ROUX - UTILISATIONDE LEVÉS SCANNER 3D EN CONTRÔLEEXTÉRIEUR DES TRAVAUXL'usage de levés par scanner 3D des ouvragessouterrains se développe, grâce à la mise aupoint de techniques de relevé et de logiciels detraitement permettant d’obtenir rapidementdes informations complètes et précises del’ouvrage.L'article propose des perspectives pour l'utilisa-tion des scanners 3D en tunnels, en phase deprojet ou de chantier, pour le suivi, le contrôleet le récolement des travaux.En exemple il est rendu compte du suivi topo-graphique par scanner 3D des travaux du tun-nel de Cap Roux, qui a permis de valider cer-taines applications des levés 3D, notammenten contrôle et en récolement de travaux. Uneapplication particulière a consisté à établir unecartographie photographique, basée sur l'acqui-sition des textures réelles du parement dubéton projeté qui forme le revêtement del'ouvrage. Cette cartographie exploitable enDAO permettra de reporter précisément lesdésordres qui apparaîtront durant la vie del'ouvrage.

CAP ROUX TUNNEL - USE OF 3DSCANNER SURVEYS FOR WORKS CONTROL Use of 3D scanner surveys of undergroundinfrastructure is on the increase, thanks to thedevelopment of in-field survey routines andoffice software that allow fast, complete andprecise acquisition and processing of data.This article outlines some perspectives on theuse of 3D scanners in tunnel environments,whether at project or construction stage, forthe purposes of inspection, monitoring andchecking. As an example, we describe a 3Dscanner topographic survey of works at theCap Roux tunnel, which confirmed the validityof certain 3D survey applications, especiallymonitoring and checking. One particular appli-cation consisted of establishing a photorealisticmapping of post-shotcrete wall lining. Such adata-set can be used in a CAD environment forprecise reporting of disorders appearing duringthe lifetime of the infrastructure.

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1 - LES SCANNERS 3DLes premiers scanners laser 3D développés en Francedans les années 1990 (gamme SOISIC, constructeurMENSI, filiale d’EDF) ont été utilisés afin d’effectuerdes relevés géométriques en milieu industriel (locauxnucléaires, locaux de sites pétrochimiques…), ou desrelevés d’objets culturels (statues…).

Basés sur la technique de la triangulation plane,ces scanners sont toujours performants pour desrelevés de précision (précision de mesure de +/-0.3 mmà 2 m).

Depuis le début des années 2000, la nouvelle géné-ration de scanners basée sur des mesures « Tempsde vol » présente des caractéristiques plus adap-tées aux relevés de grandes dimensions en termede champ angulaire, de portée (plusieurs centainesde mètres), de vitesse (plus de 1000 points/seconde)tout en conservant une précision de mesure per-mettant de nombreuses applications.

Pour garantir la précision finale des relevés par scan-ner, rappelons que ces levés doivent obligatoirementêtre associés à des mesures topographiques de pré-cision, réalisées par des géomètres expérimentés,pour créer un référentiel et rattacher les nuages depoints 3D.

Dans les travaux souterrains, la technique anotamment été utilisée en 1998 pour unprojet d'ascenseur (- 150m) sur le site del’Aven d’Orgnac, puis en 2002 pour desrelevés dans la grotte Chauvet.

En 2003 le tunnel de Saint Pancrasse (38)d'une longueur de 500m a été « scanné »ainsi que l'ancienne route en encorbelle-ment qui lui est contiguë et dont le tracé,très proche du tunnel, détermine locale-ment des épaisseurs très faibles du piédroitrocheux, côté route. Les levés ont permisd'établir des profils en travers recoupant lesdeux ouvrages et de connaître ainsi lesépaisseurs des piédroits existants pouraménager le tunnel. Le levé scanner de lafalaise, saisi depuis l'ancienne route, a aussipermis de déterminer les pendages desbancs et des fractures rocheuses intéressantle projet.

UNNEL DE CAP ROUX UNNEL DE CAP ROUX Utilisation de levés scanner 3D en contrôle extérieur des travauxUtilisation de levés scanner 3D en contrôle extérieur des travaux

Scanner SOISIC

Scanner Trimble GX

Tunnel de Saint Pancrasse ➚➚

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 197 - SEPTEMBRE/OCTOBRE 2006

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• Perspectives pour les tunnelsLes levés scanner 3D ont leur utilité dans lesprojets de rénovation de tunnels existantspour connaître en totalité la géométrie d’unouvrage à partir d’un nuage de points x,y,zrelevés tous les 3 à 5 cm sur l’intrados du tun-nel et aux abords des têtes. A partir de cenuage de points , il est possible d’obtenir desprofils en travers de type profils lasers en touspoints de l’ouvrage.

Mieux, des logiciels actuellement en cours dedéveloppement vont permettre au projeteurd’intégrer le projet de rénovation dans lenuage relevé, pour obtenir rapidement unevue en 3D du projet et directement toutes lesquantités réelles de déblai d'alésage, debéton projeté, de béton de revêtement. Lesmétrés ne seraient plus établis avec desvolumes estimés par moyenne de surfacesentre deux profils en travers. La géologie dutunnel existant peut être portée dans la base3D pour renseigner le projet.

De la même façon pour un projet de tunnelneuf, des levés scanner peuvent être pris surles zones de têtes envisagées et le projetintégré en 3D à partir des nuages de pointstopographiques levés aux têtes. Outre laquantification rapide des volumes réels liésau projet, la méthode permettrait de présen-ter les terrassements et l’architecture destêtes dans l’environnement du site demanière rigoureuse.

En cours de chantier il est possible d’effec-tuer des levés scanner pour réaliser certainscontrôles. Les scanners lasers sont des maté-riels sophistiqués et coûteux dont l’utilisationest réservée à des spécialistes, ce qui imposecertaines limites à leur usage en phase de tra-vaux. Les scanners 3D sont également vulné-rables aux fortes densités de poussières, leurutilisation nécessite l’interruption momentanéedes autres travaux dans la zone relevée.

Les déplacements des opérateurs qualifiéssont à optimiser pour limiter le coût d’inter-vention et les perturbations faites au chantier.Actuellement il n’est donc pas envisageabled’assurer par scanner 3D le relevé rapprochéde certains travaux, comme on le fait avec unprofilomètre laser généralement utilisé par letopographe de l’entreprise. Le suivi topogra-phique rapproché des phases de creusementet de soutènement d’excavation reste à réalisertraditionnellement.

En travaux neufs le premier levé scanners’effectuerait sur l’intrados du soutènement.Il est à réaliser juste avant la pose de la mem-brane d’étanchéité. La prise de donnéess'opère à l’avancement des travaux par tron-çons de 200 m environ, pendant un arrêt pro-grammé du chantier, les engins mobiles étant

déplacés hors de la zone à relever. Ce pre-mier levé permet de vérifier que l’intrados dusoutènement ne présente pas de saillies àl’intérieur du gabarit prévu pour loger lerevêtement. Le levé sert aussi à valider lesprofils laser que l’entreprise effectue après lamise en place du soutènement et à contrôlerla géométrie de l’intrados entre les profilsfournis.

En fin de travaux un second levé scannerserait effectué sur le parement du revête-ment de l’ouvrage. L’intégration du nuage depoints du levé du revêtement au nuage dulevé du soutènement permettant deconnaître, en tous points de l’ouvrage,l’épaisseur du revêtement. L’intérêt des pré-cisions nouvelles acquises avec les scanners3D concernent aussi bien le suivi des travauxque l’enrichissement du dossier de récole-ment de l’ouvrage. Pour cela le levé du revê-tement doit être effectué après la mise enplace des différents équipements de l'ou-vrage (éclairage, accélérateurs de ventilation,signalisation, etc.)

Les volumes de béton de revêtement sontétablis par comparaison entre le levé du sou-tènement et celui du revêtement.

Le récolement des travaux gagne en préci-sion grâce à la densité des points relevés auxdifférentes étapes de la construction de l’ou-vrage. De plus, il ne peut pas subsister d’in-certitudes (dues par exemple à des impréci-sions de report du pm 0 du chantier parrapport à la définition de celui de l’ouvrageachevé) sur la position de la géologie recon-nue et des différents soutènements à l’arrièredu revêtement.

Enfin, le levé scanner du revêtement pourraitêtre complété par une cartographie déve-loppée du revêtement basée sur l’acquisitionde textures réelles du béton et des équipe-ments du tunnel, par photographies couleursde haute résolution. La cartographie seraitexploitable sous DAO pour servir de supportaux levés des désordres lors des futuresinspections de l’ouvrage.

2 - ESSAI DE VALIDATIONDE LA METHODE AU TUNNEL DE CAP ROUXLa Direction des Routes a programmé en2002 la rénovation des tunnels non revêtussitués sur les Routes Nationales duDépartement des Alpes Maritimes.

Les ouvrages concernés sont les tunnels desPyramides, de St Michel et d'Eze sur la RN 7(moyenne corniche) ; de Chaudan Sud et deChaudan Nord sur le RN 202 (vallée du Var) ;de Cap Roux sur la RN 98 (basse corniche).

La maîtrise d’œuvre des études et des tra-vaux a été assurée par la DDE 06 avec l'assis-tance du Centre d'études des tunnels (Cetu).

Globalement les travaux de rénovation ontconsisté à mettre les tunnels au gabarit de4,30 m par alésage local, à purger les excava-tions et à les conforter par boulonnage etbéton projeté, à refaire les chaussées etl'éclairage de certains ouvrages.

Les travaux de rénovation du tunnel de CapRoux ont été réalisés à l’automne 2005. Ilscomprenaient un alésage du rocher de l’ex-cavation et la mise en place d’un soutène-ment par boulons d’ancrage à scellementcontinu associés à une épaisseur nominalede 10 cm de béton fibré.

Le chantier de Cap Roux a servi de supportau Centre d’études des tunnels pour testerl'utilisation de levés au Scanner 3D encontrôle extérieur et en récolement de tra-vaux. Les travaux de topographie ont étéattribués au cabinet Guy PERAZIO,Géomètre Expert, suite à un appel d’offreslancé par le Cetu en Mars 2005.

• Principes du suivi topographique des travaux

a- Etablissement du référentiel

Un référentiel topographique a été créé etmatérialisé sur le site par des repères enbronze scellés dans les ouvrages existants(stations et repères de nivellement). La préci-sion requise pour la détermination desrepères est de +/-1mm en XYZ. Ce référentielcouvre la zone de travaux et est étendu surenviron 100 m de part et d’autre de l'ouvrageafin d’assurer la pérennité des repèresnotamment pendant le chantier. Tous leslevés scanner 3D ont été rattachés à ce seulréférentiel afin de pouvoir établir des compa-raisons sûres.

b- Levé du tunnel existant

Un relevé initial a été réalisé par scanner laser3D, avant les travaux au printemps 2005, sur50 m. (22 m en tunnel et 14 m de part etd’autre). La densité requise pour le levé était

T unnel de Cap Roux - Utilisation de levés scanner 3D en contrôle extérieur des travaux

Tunnel de Cap Roux

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Profil initial et gabarits

Gabarit et zones à aléser

Gabarit et zones à aléser(en bleu à l'intérieur du gabarit gris)

Contrôle après premier alésage(il reste quelques zones à reprendre)

d’un point tous les 3 cm sur la surface du rocher dutunnel et des encorbellements de têtes. A partirdu levé initial une vue en plan de la plate-formeroutière et une tabulation de 50 profils en traversont été établies sur 50 m. Chaque profil compor-tait les coordonnées XYZ de son origine, son gise-ment et une cotation de la plate-forme.

c- Levé du tunnel après l’alésage

En cours de chantier un second levé scanner 3D aété réalisé après une première purge des élé-ments instables et l’alésage de mise au gabarit durocher. Le second levé est établi dans le mêmeréférentiel et avec les mêmes caractéristiques dedensité et de précision que le levé initial.Rapproché de celui-ci, le second levé a permis dequantifier les volumes excavés et de vérifierqu'après les travaux d’alésage, le gabarit est bienrespecté sur toute la longueur de l’ouvrage. Il fautnoter qu'avec une vérification traditionnelle parprofils laser, il subsiste des zones non reconnuesentre les profils qui déterminent des imprécisionssur les contrôles de gabarit et sur les différentsvolumes calculés.Le traitement des données a été réalisé sur le logi-ciel Realworks Survey (TRIMBLE). Avec les levésscanner les calculs de volumes sont réalisés demanière globale, par comparaison directe de deuxnuages de points. Le calcul est basé sur la créationde cellules parallélépipédiques de section cohé-rente avec la densité du nuage (4cm*4cm pour cechantier). Orientées selon une direction de projec-tion perpendiculaire aux surfaces à analyser, cescellules viennent s’insérer entre les deux nuages àcomparer.Le volume global est calculé à partir de la sommedu volume élémentaire de chaque cellule. La hau-teur de chaque cellule correspond à la distancemoyenne séparant les 2 nuages au droit de la cel-lule analysée. Cette distance correspond à l’épais-seur réelle de rocher alésé (dans le cas de la com-paraison d’un nuage relevé après alésage, à unnuage relevé sur le rocher initial).Après le second levé, l’entreprise a mis en œuvrele soutènement et le revêtement en béton projetéde l’excavation.

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d- Levé du tunnel après béton projeté

Un troisième levé scanner a ensuite été exé-cuté, la nuit suivant la fin des travaux debéton projeté, pour contrôler la conformitédes épaisseurs par rapport au marché. Lesinsuffisances éventuelles ont été établies enregard du levé scanner pris sur le rocheraprès l'alésage. Au vu des éléments fournispar le géomètre, le maître d’œuvre a préciséles zones de sous-épaisseur devant être com-plétées par l’entreprise. Le géomètre a eu encharge le marquage, sur le parement dubéton existant, des zones à reprendre.

L'épaisseur du béton projeté est déterminéegrâce aux cellules parallélépipédiquesconstruites entre les nuages de points dulevé du rocher alésé et celui du béton projeté(cf. volume du déblai d'alésage)

Chaque cellule 3D de comparaison reçoitune couleur en fonction de sa hauteur, quicorrespond à l'épaisseur de béton.

L’analyse de l’épaisseur de béton se fait enprojetant les cellules colorées sur une surfacede référence théorique.

Cette surface de référence est établie endécomposant l'intrados du béton projeté engrandes surfaces élémentaires géométriques.

Au tunnel de Cap Roux la surface de réfé-rence est composée de 4 surfaces élémen-taires, deux plans pour les piédroits et deuxsurfaces cylindriques pour la voûte.

La projection des cellules s'effectue normale-ment à la surface de référence.

En développant la surface de référence onobtient une carte de synthèse 2D dont lescouleurs représentent les épaisseurs du béton.

Le haut du piédroit est la zone la moins char-gée en béton (0 à 20mm d’épaisseur).

Des outils d’édition de la carte (sélection dezones, filtres…) permettent d’en retirer lesvolumes, surfaces, et des profils permettantde visualiser les épaisseurs.

Le rattachement des nuages relevés sur lebéton ainsi que la carte 2D ont été réaliséssur le site, à l'avancement du relevé. Le

maître d’œuvre a ainsi pu analyser la carte 2Ddirectement sur le chantier pour déterminerles zones qu'il souhaitait faire recharger.

Les contours des zones à recharger sont défi-nis sur la carte de synthèse 2D. Les points dechaque sommet des contours des zones àreprendre sont ensuite insérés sur le nuage3D du béton afin de connaître leurs coordon-nées XYZ dans le référentiel topographique.L’implantation et le marquage des zones àrecharger peuvent alors être tracés sur leparement du béton existant ainsi que l'indi-cation des épaisseurs manquantes.

e- Levé du tunnel après compléments debéton projeté

Les compléments de béton projeté ont étéréalisés dans la journée qui a suivi de mar-quage des zones à reprendre. Un quatrièmelevé scanner 3D a ensuite été exécuté. Il per-met de contrôler les compléments apportéset de quantifier le volume total de béton pro-jeté en place après les travaux.

En rapprochant le volume total de celui de lasurface relevée, il est aussi possible de com-parer globalement l'épaisseur moyenne du


Projection plane d’un piédroit

Extrait de la carte de synthèse 2D. Piédroit côté mer

Profil de contrôle d’épaisseur

Légende : Unité, mm

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béton projeté à celle qui est prévue au mar-ché. Le quatrième levé est intégré aux docu-ments de récolement.

Enfin le Cetu souhaitait vérifier la possibilitéd'établir une cartographie «photographique»de la développée de la voûte et des paroisdu tunnel, basée sur l’acquisition des texturesréelles du béton après travaux. La cartogra-phie devait être exploitable sous DAO afind'y représenter ultérieurement les désordreséventuellement constatés lors des futuresinspections périodiques de l'ouvrage.

f- Acquisition des textures par matricenumérique couleur

L’acquisition des textures réelles par matricenumérique couleur avait pour objectif de tex-turer le modèle 3D final constitué par lemaillage de récolement du béton projeté(quatrième levé).

L’acquisition des textures a été réalisée parune matrice numérique couleur, de 17 mil-lions de pixels.

Le tunnel a été divisé en cinq tronçons de5 m de longueur. Chaque tronçon est photo-graphié par 2 clichés avec un recouvrementdans la zone de clé de voûte. L’acquisitiondes textures est réalisée perpendiculaire-ment à la surface de la voûte et des piédroitsselon une maille de 1 pixel pour 3 à 5mmmaximum de surface sur le béton.

Les éclairages sont optimisés pour chaquecliché. Le tunnel du Cap Roux ne disposantpas d’une possibilité d'alimentation sur sec-teur 220V, le choix du type et de la puissancede l ‘éclairage a été limité.

Les clichés, géoréférencés, ont été projetéssur le maillage 3D. Ce modèle texturé peutalors être analysé sous un logiciel de visuali-sation en diffusion libre. Le modèle a aussiété développé pour obtenir une cartogra-phie 2D de la voûte et des parois du tunnelau 1/20e et 1/50e. Le document est exploi-table sous logiciel de DAO.

L’image ci-dessous est le développé de 25mde piédroit du tunnel (échelle # 1/150e)

L’image ci-dessous est un extrait du développé au 1/20e , qui servira de support aux futures ins-pections de l’ouvrage. (longueur de la zone présentée : 3.4m, secteur PM 5)


Profil de récolement

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3 - ANALYSE DE LA PRECISIONLa précision des résultats obtenus par scan-ner, comme par profilomètre-laser dépend :

• de la précision de mesure du point 3D ;incertitude combinée (erreurs aléatoires etrésidus de systématismes) de +/-4 à+/-6 mm à 50 m pour le scanner.

• de la précision de rattachement des points3D au référentiel topographique (+/- 3 mm)

• de la précision du référentiel topogra-phique mis en œuvre dans le tunnel(+/- 2 mm)

• de la densité de points mesurés qui estfonction de l’irrégularité de la surface àrelever. (1 point tous les 3 cm pour le chan-tier de Cap Roux).

La vérification de la précision des levés scan-ner 3D dans le tunnel de Cap Roux a été éta-blie de la manière suivante :

➢ en superposant les levés des zones exté-rieures, à proximité des têtes du tunnel,qui n'ont pas été concernées par l'alésageni revêtues de béton. L'écart moyenconstaté entre les différents levés est del’ordre de 5 mm, (pics inférieurs au centi-mètre).

➢ en procédant à quelques petits carottagesdans le béton pour contrôler l'épaisseurdu béton qui s'est révélée être en cohé-rence avec celle qui est obtenue par leslevés.

Outre la précision du scanner, la précision durésultat final dépendra toujours de la qualitédes matériels topographiques utilisés pource type de levé, de l’expérience et du savoir-faire en travaux souterrains des géomètresintervenant sur site et traitant l’information.

Globalement en tunnel, la précision à retenirpour les levés scanner 3D, en considérant lesprises de données et leur traitement, est infé-rieure au centimètre.

Cette valeur est à prendre en compte dans laprécision attendue pour les contrôles et ladétermination des quantités liées aux travaux.

4 - CONCLUSIONLes essais topographiques avec les scanners3D au tunnel de Cap Roux ont été très com-plets et ont permis de valider de nombreusespossibilités d'utilisation des levés au scanner3D. Les essais ont démontré une bonne sou-plesse d'utilisation des levés scanner 3D quiont pu être exécutés et exploités à l'avance-ment des travaux, moyennant des contraintestrès réduites imposées au chantier.

Comparativement les atouts des levés scan-ner 3D sont les suivants :

➢ En projet, l'avantage d’un relevé laser 3Dest de constituer une base de donnéesgéométriques exhaustive d’un tunnel existantou des zones de têtes d'un tunnel en projet,en une seule prise de données sur le terrain.On peut ensuite exploiter les nuages de

points en bureau au cours de l’avancementdu projet, selon différents niveaux de traite-ment allant du simple profil à l’intégrationcomplète du projet 3D et aux métrés des tra-vaux projetés.

Des logiciels vont permettre aux utilisateursde travailler directement sur les nuages depoints, sans recourir au géomètre pour desopérations courantes (création de profils, cuba-tures, dessins 3D,...). Ces logiciels, en cours dedéveloppement par diverses sociétés,devraient permettre l'exploitation des nuagesde points relevés par les différents scannersdisponibles sur le marché, quel que soit leprestataire effectuant la prise de données.

➢ Pendant les travaux, la précision apportéepar un levé scanner 3D ne réside pas seule-ment dans les paramètres évoqués ci-dessus,mais aussi dans l’exhaustivité du relevé. Cettetechnique apporte davantage d'informationcar elle permet d’analyser l’ensemble de lasurface du tunnel du point de vue du contrôledu gabarit, de la connaissance des épaisseursde béton et du calcul des différents volumeset surfaces utiles aux vérifications.

➢ En récolement d'ouvrage, la base dedonnées constituée grâce aux levés scanner3D permettra de connaître précisément unouvrage en tous points et sur tous les aspects(géologiques, position des soutènements,épaisseurs de revêtement, position deséquipements). Cette base pourra servirde support aux inspections durant la viedes ouvrages.


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