Article de recherche / Research Article

Congélation artificielle des terrains : de la modélisation à l’application

Artificial ground freezing: numerical modeling and application

MINES ParisTech, PSL Research University, Centre de Géosciences, Fontainebleau, France

^* Auteur de correspondance : htounsi@lbl.gov

Résumé

La congélation artificielle des terrains est utilisée depuis des décennies comme technique de stabilisation et d’imperméabilisation temporaires des terrains pour résoudre des problèmes de génie civil ou minier à moindres coûts. Toutefois, elle peut engendrer, tout comme le gel naturel, des déplacements en surface ou au niveau des ouvrages souterrains adjacents, dont l’amplitude dépend, entre autres, des conditions géologiques et hydrogéologiques. Ainsi, pour évaluer les risques liés à l’utilisation de la congélation artificielle, nous proposons dans cet article un modèle thermo-hydro-mécanique et chimique (THMC) couplé, permettant de prédire l’étendue de la zone congelée et la stabilité des terrains. Ce modèle s’inscrit dans le cadre de la mécanique des milieux poreux et utilise des hypothèses simplificatrices afin d’aboutir à un formalisme facilement utilisable en pratique pour réaliser des simulations de longues durées à l’échelle de la mine. Le modèle a été appliqué au cas de la mine de Cigar Lake (Canada), à travers des simulations thermo-hydro-mécaniques couplées, qui ont permis de prédire proprement l’évolution de la congélation dans le massif et les tassements observés autour des tunnels de production excavés en dessous du massif congelé.

Abstract

Artificial ground freezing has been used for decades as a temporary ground stabilization and waterproofing technique to solve civil or mining engineering problems at low cost. However, the water-ice phase change can induce ground movements at the surface or in adjacent nonfrozen areas. The magnitude of these movements depends, among other things, on the geological and hydrogeological conditions. Thus, to assess the risks associated with the use of artificial ground freezing, a coupled Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical (THMC) model, allowing to predict the extent of the frozen zone and the stability of the ground, is presented. This model is based on a macroscopic continuum approach and uses simplifying assumptions to overcome the computational difficulties associated with the modeling of complex mining environments over a long period of time. The model is applied to the case of the Cigar Lake mine (Canada). Fully coupled THM simulations of the ground freezing and excavation activities taking place in the mine allowed to accurately predict the freezing evolution around the deposit and the settlements observed around a production tunnel excavated below the frozen ground.