Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L'usage par l'homme de cavernes naturelles ou artificielles est immémorial pour l'abri tout d'abord, pour l'exploitation minière, longtemps après. Il concerne plus récemment des installations industrielles dans le domaine de l'énergie, tant pour la fourniture que pour le stockage. Diverses applications conduisent à rechercher des volumes toujours plus grands, et/ou toujours plus profonds, ce qui pose des problèmes géologiques et technologiques toujours plus ardus : en effet, davantage que d'autres types d'ouvrages, les cavernes dépendent du site (géographie, géologie, hydrogéologie, état naturel de contrainte) et ce, d'autant plus lorsque leurs dimensions augmentent.
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The use by mankind of natural or artificial caverns is age-old for shelter and mining it applies more recently to industrial installations in the field of energy, both for production and for storage. Various applications lead to go towards volumes always bigger, and/or always deeper, which raises geological and technological problems always more difficult: indeed, more than other types of works, artificial caverns depend on the site, the geography, the geology, the hydrogeology, the state of stress, and so, all the more when their size increases.
Auteur(s)
-
Pierre DUFFAUT : Ancien président du Comité français de Mécanique des roches - Ancien vice-président de l'Association française des Tunnels et de l'Espace souterrain
INTRODUCTION
On s'intéresse essentiellement aux cavernes utilisées dans le domaine de l'énergie. Deux usages sont classiques par leur ancienneté :
-
d'un peu plus d'un siècle pour les usines hydroélectriques souterraines ;
-
d'un demi-siècle pour les cavités de stockage d'hydrocarbures liquides et gazeux.
D'autres usages sont évoqués à titre de comparaison, mais qui ont toujours quelque rapport à l'énergie. On sait en effet que la première qualité énergétique du sous-sol est son inertie thermique. L'économie d'énergie de climatisation favorise donc une grande quantité d'usages très variés. On sait aussi que la température du terrain augmente avec la profondeur, ce qui est la base des applications géothermiques. Dans la plupart des cas envisagés ici, ces cavernes sont spécialement creusées par l'homme pour un usage bien défini, mais l'homme préhistorique, justement dit « des cavernes », a su utiliser des cavernes naturelles, auxquelles il a parfois apporté quelques modifications.
Les cavernes creusées par l'homme ont des usages impliquant un haut degré de stabilité pendant une longue durée, alors que les modèles fournis par la Nature, les grottes puis les cavités minières n'offrent une stabilité que pendant une durée limitée. Les mines et carrières souterraines, qui remontent à une antiquité reculée, constituent un capital d'expérience considérable. On passe sans coupure nette des carrières souterraines au troglodytisme bien que les dimensions des espaces consacrés à l'habitat soient très inférieures à celles des cavernes industrielles. Ainsi les vides laissés par les exploitations souterraines ont souvent une deuxième vie (thème en 2013 du Congrès de l'Industrie minérale). On évoque aussi des cavernes calquées sur les cavités minières en vue de buts innombrables dont plusieurs ressortent à l'urbanisme souterrain.
Les caractères des cavernes des centrales hydroélectriques et des cavités de stockage sont examinés en détail, car leur grande variété se justifie non seulement par les matériels et produits qu'elles abritent, mais aussi par des conditions locales (nature et structure du terrain, hydrogéologie, état de contrainte initial) et des méthodes de construction en constante évolution. Une approche analogue s'applique aux stations des voies routières ou ferrées souterraines dont les métros et les cavernes d'aiguillage du Tunnel sous la Manche. Les cavernes non conventionnelles, parmi lesquelles celles souhaitées par les astrophysiciens (étude des neutrinos), par les projets multidisciplinaires (DUSEL et ses suites, par exemple Sadoulet [2005]) et celles que nécessiteraient des centrales nucléaires souterraines, sont les seules capables grâce à leur confinement exceptionnel de garantir la sécurité des environs en cas d'accident très grave comme ceux de Tchernobyl et de Fukushima.
La tentative de synthèse est l'occasion d'évoquer brièvement quelques aspects théoriques et technologiques des projets d'ouvrages souterrains :
-
notamment l'eau souterraine qui peut se révéler plus difficile à vaincre que les contraintes élevées ;
-
les structures naturelles du terrain qu'il convient de ne pas négliger mais de mettre à profit.
Dans cet article, on appelle caverne un espace libre de forme quelconque et de dimension assez grande pour abriter des hommes, entièrement situé au-dessous de la surface du sol. Les dictionnaires proposent six autres termes : trou, qui est très banal ; cavité, encore très ubiquiste ; grotte, un peu plus savant ; antre ou tanière, évoquant des animaux « sauvages » ; refuge, beaucoup trop large ou enfin souterrain, à la fois adjectif, qualifiant très largement tout ce qui est au-dessous de la surface du sol, avec ou sans intervention humaine, et nom commun, adopté en France dès l'origine des chemins de fer pour désigner ce que les anglais avaient appelé tunnel.
Il y a peu de différence entre les mots caverne et cavité, celui-ci préféré des « stockeurs », celui-là des électriciens : toutefois caverne s'applique seulement à des cavités au sein de la croûte terrestre (avec une exception notable puisqu'en anatomie on parle de cavité thoracique, et aussi de cavernes dans les poumons).
Qu'elles soient naturelles ou anthropiques, c'est-à-dire creusées par l'homme, les cavernes se distinguent des puits et tunnels par leur forme d'ensemble à trois dimensions. Les puits et les tunnels sont des cavités à une dimension prépondérante, très allongées par rapport à leur section dans la direction perpendiculaire ; ce sont des tubes, verticaux ou proches de la verticale pour les puits, horizontaux ou à pente loin de la verticale pour les tunnels. Le vocabulaire des mines souterraines comporte des termes supplémentaires. On écarte ici les salles et tunnels obtenus par creusement à partir de la surface, « à ciel ouvert » comme la station Halles du RER parisien, ou « sous dalle » comme beaucoup de parkings souterrains qui ont donc tous une couverture artificielle : les cavernes évoquées ici ont comme les grottes une couverture naturelle, généralement rocheuse.
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Modèles offerts par les mines et carrières
En anglais
1. Modèles offerts par les cavernes naturelles : les grottes
1.1 Types de terrains concernés
Les grottes ont été fréquentées par l'homme dès la préhistoire (celui qu'on a justement appelé « homme des cavernes »), comme d'ailleurs par de nombreux animaux : ainsi les ours d'Entremont dans le massif préalpin de la Chartreuse. Ces cavités, qui peuvent atteindre de grandes dimensions, sont pour la plupart dues à la dissolution de roches au moins partiellement solubles : les roches salines, sel gemme, gypse et surtout les roches carbonatées dont la solubilité augmente beaucoup avec la teneur en acide carbonique (tableau 1). Comme la grande majorité de ces cavités se trouve dans les roches calcaires, elles sont souvent qualifiées de karstiques d'après le Karst, région montagneuse calcaire de la chaîne alpine en Slovénie et pays voisins. Parmi les cavités naturelles non karstiques, on cite :
-
les « tunnels de laves », vides laissés au cœur de certaines coulées de lave lorsque le flux s'arrête alors que la partie extérieure refroidie est solidifiée ;
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les interstices entre blocs dans le cas de mouvements gravitaire le long de pentes (par exemple, les « fleurines » de Roquefort, Aveyron) ;
-
des formes d'érosion superficielles par les vagues au pied des côtes rocheuses ;
-
à une échelle plus modeste les taffoni des granites notamment en Corse, dus à des actions météorologiques complexes.
La pratique sportive des visites de grottes et leur exploration à but scientifique ont souvent été liées jusque dans leur nom savant « la spéléologie est la fréquentation par l'homme des cavités naturelles du sous-sol » . Suivant les hommes et les clubs, l'étude scientifique peut être davantage un alibi que la motivation première. D'autres cultivent seulement l'exploit, sans dédaigner la cartographie qui fait partie des moyens de préparer les expéditions ultérieures. Les vides karstiques forment des réseaux d'écoulement des eaux souterraines qui s'établissent d'abord le long de discontinuités préexistantes (diaclases,...
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Modèles offerts par les cavernes naturelles : les grottes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AARVOLL (M.) - Storage of industrial waste in large rock caverns. - Symp. « Large Rock Caverns », Saari K. ed., Pergamon, pp. 759-770 (1986).
-
(2) - BÉREST (P.) - Mines et cavités salines in Manuel de Mécanique des roches, - tome 3 Retours d'expériences. Coord. Duffaut P., pp. 155-190.
-
(3) - COMITÉ de MÉCANIQUE des ROCHES - Manuel de Mécanique des roches - , tome 2 Les applications. Coord. Duffaut P. Chap. 20, Cavernes, pp. 187-204 (2004) (2013).
-
(4) - DAUPLEY (X.) et al - L'effondrement de la cavité saline de Cerville-Buissoncourt - , in Manuel de Mécanique des roches, tome 3 Retours d'expériences. Coord. Duffaut P. pp. 59-69 (2013).
-
(5) - DUFFAUT (P.) - Site reservation policies for large underground openings. - Proc. Rockstore 77 Symposium, Stockholm, Bergman M. ed., vol. 1 pp. 83-88 (1977).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
DUFFAUT Pierre 2005 – Engineering of large and deep rock caverns for physics research http://nnn05.in2p3.fr/schedule.html
HOEK Evert http://www.rocscience.com/education/hoeks_corner
NAKAGAWA Tetsuo., 2005 – Study on the Excavation of the Hyper-Kamiokande Cavern http://nnn05.in2p3.fr/schedule.html
SADOULET Bernard 2005 – The DUSEL Site Independant Study. Next Generation of Nucleon Decay and Neutrino Detectors http://nnn05.in2p3.fr/schedule.html
HAUT DE PAGE
Congrès annuels de la SIM, Société de l'Industrie minérale, http://www.lasim.org
Congrès annuels de ITA-AITES, Association internationale des tunnels et de l'espace souterrain, http://www.ita-aites.org
Congrès de ACUUS, Associated research centers for the urban underground space, http://www.acuus.qc.ca
HAUT DE PAGE
Code Minier, Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie, 50...
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