Forage des trous pour boulons d'ancrage : pourquoi le forage détermine la tenue du boulon
La qualité d'un boulon d'ancrage dépend entièrement de la qualité du trou dans lequel il est inséré. Même avec un acier de la plus haute qualité, une cartouche de résine optimale et un couple de serrage parfaitement respecté, il cédera si le trou a été percé sous un mauvais angle, à travers une zone de fracture ou avec un diamètre incorrect. La fiabilité du boulon dépend de la qualité du trou, et la qualité du trou dépend du foret et de la tige de forage utilisés.
Le boulonnage de toit est la méthode de soutènement la plus courante dans les mines et tunnels souterrains, et ce pour une bonne raison : c’est rapide, flexible et bien moins coûteux que les armatures métalliques ou les revêtements en béton projeté. Mais rapidité et faible coût ne sont possibles que si le boulonnage est réalisé correctement. Voici ce que signifie « réalisé correctement » du point de vue du forage, avant même la mise en place du boulon.
Angle du trou : la géométrie qui détermine tout
Un boulon d'ancrage fonctionne en s'ancrant dans la roche résistante au-delà de la zone fracturée ou déformable, puis en appliquant une tension pour comprimer la roche instable contre la roche stable située derrière. Pour ce faire, le boulon doit traverser les couches rocheuses à angle droit.
La règle fondamentale est que les boulons doivent être installés perpendiculairement à la surface de la roche autant que possible. Un boulon installé en biais par rapport à la surface crée une répartition asymétrique des contraintes : un côté du boulon est soumis à une charge plus importante que l’autre, la plaque d’appui n’est pas parfaitement plane et la force de serrage effective du boulon est réduite.
Dans une roche stratifiée ou laminée, l'angle idéal du boulon est perpendiculaire aux plans de stratification, et non nécessairement à la surface de fouille. Un boulon parallèle à la stratification est quasiment inefficace ; c'est comme essayer de clouer les pages d'un livre par la reliure. Les pages peuvent toujours glisser les unes sur les autres car le clou est orienté dans le sens du glissement, et non perpendiculairement.
Forer un trou avec précision, dans une galerie souterraine exiguë, à l'aide d'une perceuse manuelle, est plus difficile qu'il n'y paraît. Le trépan a tendance à dévier dès qu'il entre en contact avec la roche. L'opérateur doit lutter contre le poids de la perceuse. Le sol peut être irrégulier à l'endroit où le repère est placé. Et si les premiers centimètres du trou sont mal alignés, le reste le sera aussi : il est impossible de diriger une tige de forage conique une fois qu'elle est dans la roche.
La solution réside dans la préparation : marquez clairement l’emplacement du trou, positionnez la perceuse de façon à ce que la tige atteigne l’angle cible avant que le foret ne touche la roche, et amorcez le perçage avec une légère pression et une faible vitesse de rotation jusqu’à ce que le foret ait formé une collerette nette. Ces premières secondes de perçage sont déterminantes pour la solidité du boulon qui sera installé dans ce trou.
Profondeur du trou : Ne vous arrêtez pas à la fracture
Un trou de boulon trop peu profond — qui s'arrête dans la zone fracturée ou altérée au lieu d'atteindre la roche solide — est un boulon ancré dans un matériau incapable de le retenir. Au premier mouvement de terrain, le point d'ancrage se déplace et le boulon perd sa tension.
La profondeur de forage requise est déterminée par la longueur du boulon, elle-même fonction de la géologie. Le boulon doit s'enfoncer d'au moins 0,3 à 0,5 mètre au-delà de la zone de fracture estimée, dans une roche saine. Si la zone de fracture a une épaisseur de 2 mètres, il faut un boulon d'au moins 2,5 mètres, et le forage doit être suffisamment profond pour accueillir le boulon sur toute sa longueur, cartouche de résine comprise.
Cela paraît évident. Ce qui l'est moins, c'est que la profondeur de forage requise a des conséquences sur le choix du trépan et de la tige de forage. Un trou de boulonnage profond (3 mètres ou plus, ce qui est courant dans les mines à grande ouverture) nécessite une tige de forage suffisamment longue pour atteindre cette profondeur sans avoir besoin de rallonges. Il faut un trépan capable de forer droit à cette profondeur sans dévier. Et il faut un débit d'eau suffisamment important pour évacuer les déblais d'un trou plus long que la taille de l'opérateur.
Zones de fracture : le trou que vous ne pouvez pas voir
Le pire trou de boulon est celui percé directement dans une fissure et ressortant de l'autre côté dans un sol meuble. Le boulon est inséré, la résine durcit, tout semble correct — et dès que le sol se tasse, le boulon s'arrache car il était ancré dans un bloc qui n'était lui-même fixé à aucun élément solide.
Le foreur doit être attentif aux signaux émis par la foreuse. Lorsque le trépan atteint une zone fracturée, la vitesse de pénétration change : elle s'accélère généralement à mesure que le trépan traverse un terrain ouvert ou fracturé. Le bruit de la foreuse change également : l'impact devient moins net, plus creux. Le débit d'eau de rinçage peut diminuer si l'eau ou l'air s'infiltre dans la fracture au lieu de remonter dans le puits.
Chacun de ces signaux indique que le forage a traversé une fracture importante. Si cela se produit près de la profondeur cible, le boulon peut encore être utilisable ; la fracture pourrait se situer au-dessus de la zone d'ancrage. Si cela se produit plus tôt, il faut abandonner le forage et le refaire à un autre endroit ou sous un autre angle. Poursuivre le forage dans une zone fracturée et y installer un boulon revient à installer un boulon déjà fragilisé.
Boulonnage à la résine : la chimie qui exige des trous nets
Les boulons à ancrage résineux — les plus courants dans les mines modernes — utilisent une cartouche de résine en deux parties insérée dans le trou avant le boulon. Lorsque le boulon est vissé dans le trou, il rompt la cartouche, mélange la résine et le durcisseur, et le mélange durcit autour du boulon pour former un ancrage chimique.
Pour que la résine adhère correctement, la paroi du trou doit être propre. La poussière de roche, les déblais de forage ou la boue résiduelle empêcheront la résine d'entrer en contact total avec la roche, réduisant ainsi la force d'adhérence. Un trou rempli de déblais empêchera également la résine de pénétrer dans l'espace annulaire entre le boulon et la paroi du trou ; la résine sera repoussée hors du trou au lieu de s'y écouler.
La solution consiste à effectuer un rinçage adéquat pendant le forage et une purge finale une fois la profondeur atteinte. Après l'arrêt du foret, faites couler l'eau ou l'air comprimé pendant quelques secondes supplémentaires afin d'éliminer les déblais restants. Cette opération, qui ne prend que quelques secondes, améliore considérablement l'adhérence de la résine.
La liaison forage-boulonnage
Le boulonnage et le forage de roches sont généralement effectués par des équipes distinctes : les foreurs réalisent les trous, les boulonneurs installent les boulons. Cependant, la qualité du boulonnage est déterminée dès le forage. Un boulon installé dans un trou mal foré (angle incorrect, profondeur insuffisante, parois du trou sales) cédera, quelle que soit la précision de son installation.
Pour le foreur, cela signifie comprendre que ces trous de boulons ne sont pas de simples trous. Ils constituent la base du système de soutènement au sol, et le foret et la tige de forage qui les ont réalisés sont le premier maillon de la chaîne de sécurité.
