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IIIIIIIIII| Etude de faisabilité pour la détection de
cavités souterraines par méthodes1 géophysiques dans la région
de Strasbourg
D. Leparouxavec la collaboration de
A. Bitri, F. Le Jeune, G. Grandjean
septembre 1998R 40266
. R .
-8 .DEC.1998BIBLIOTHEQUE
BRGM• LINTRIMISl AU SERVICI DI LA TEUI
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Mots clés : Détection de cavités, sismique, ondes de surface (de
Rayleigh), micro-gravimétrie, radar géologique.
En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante
:
Leparoux D., Bitri A., Le Jeune F., Grandjean G., (1998) - Etude
de faisabilité pour la détection de cavités souterraines par
méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg. Rapport BRGM R
40266,46 p., 18 fig.
) BRGM, 1998, ce document ne peut être reproduit en totalité ou
en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.
Rapport BRGM R 40266
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Synthèse
Une campagne de mesures géophysiques (radar, sismique et
micro-gravimétrie) a été réalisée dans la région de Strasbourg dans
le cadre du projet de développement "Détection des cavités
souterraines par méthodes géophysiques".
Le but étant de définir la faisabilité de chaque méthode, les
mesures ont été effectuées sur trois sites contenant des cavités de
tj^ologies parfaitement connues, et représentatives des problèmes
de risques naturels liés aux effondrements de cavités rencontrés à
Strasbourg (cavités de diamètre compris entre 1 et 3 m, situées à
une profondeur allant de 3 à 5 m dans le loess surmonté d'ime
chaussée de voie urbaine).
Sur les deux premiers sites, les méthodes radar, sismique et
micro-gravimétrique ont été utilisées, sur le troisième, seules les
méthodes radar et sismique ont été testées.
L'analyse des dormées sur chacun des sites pour les différentes
méthodes a permis de définir leiir performance en matière de
détection des cavités de la ville de Strasbourg.
Sur chaque site, les mesures micro-gravhnétriques et les tirs
sismiques ont montré qu'une information liée à la présence des
cavités était décelable. Les problèmes de bruit dans les mesures,
liés aux milieux fortements urbanisés, ont permis d'orienter les
recherches en cours visant l'optimisation des deux méthodes pour la
détection des cavités situées dans l'espace 0-10 m.
Les mesures radar ont montré que la conductivité du loess limite
l'auscultation à 1,5 mètre de profondeur, empêchant la détection
des cavités de telle typologie.
Rapport BRGM R 40266
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Sommaire
Synthèse 3
Sommaire 5
Introduction 7
1. Principes de base de chaque méthode 9
1.1. Le radar Géologique 9
1.1.1. Principe 9 1.1.2. Paramètres d'acquisition utilisés a
Strasbourg 10 1.1.3. Traitements appliqués 10
1.2. Lasismique 12
1.2.1. Principe 12 1.2.2. Paramètres d'acquisition utilisés à
Strasbourg 14 1.2.3. Traitements appliqués 14
1.3. La micro-gravimétrie 16
1.3.1. Principe 16 1.3.2. Paramètres d'acquisition utilisés à
Strasbourg 16 1.3.3. Traitements appliqués 17
2. Les trois sites auscultés 19
2.1. Ateliers SNCF, Bischheim 19
2.1.1. Le site 19 2.1.2. Mesures et interprétations 21
2.2. FortRapp, Reischtett 26
2.2.1. Le site 26 2.2.2. Mesures et interprétations 28
2.3. Brasserie Heineken, Schiltigheim 33
2.3.1. Le site 33 2.3.2. Mesures et interprétations 34
3. Discussion des performances de chaque méthode, limites et
directions d'études 39
Conclusion 41
Bibliographie 45
Rapport BRGM R 40266 5
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géoptiysiques dans la région de Strasbourg
Introduction
L'étude méthodologique présentée ici porte sur la détection des
cavités souterraines situées dans la région de Strasbourg. Elle
s'inscrit dans le projet de développement "Détection des cavités
souterraines par méthodes géophysiques" (PRD207) mené actuellement
à la Direction de la Recherche du BRGM. Notre objectif est ici de
déterminer les performances des méthodes géophysiques pour détecter
des cavités de diamètres compris entre 1 et 3 mètres, situées dans
le loess à une profondeur allant de 3 à 5 m.
Le sous-sol de la région de Strasbourg est le siège de
nombreuses cavités souterraines d'origine anthropique. Certaines
correspondent à des abris antiaériens construits lors de la seconde
guerre mondiale ou à des galeries rayonnant autour d'un château
médiéval, d'autres à d'anciennes caves à bière de brasseries. La
dégradation des voûtes est liée d'une part à l'altération de la
maçoimerie par l'humidité du sous-sol ou par l'infiltration d'eau
due aux fuites du réseau et d'autre part au trafic routier en
surface. Elle cause des effondrements et affaissements de la
chaussée dans des zones passagères. Ce problème de risque naturel
fait l'objet d'une étude par repérage des réseaux de galeries et
par suivi de l'état des voûtes, réalisée depuis plusieurs années
par le BRGM-Alsace (Rapports BRGM R39115 (1996), R39139 (1997),
R39619 (1997), R39893 (1998)). L'utilisation de méthodes
géophysiques non destructives peut fournir un apport notable quant
à leurs localisations, actuellement déterminées par des documents
d'archives pouvant s'avérer incomplets ou contradictoires.
Afin de déterminer les méthodes géophysiques les mieux adaptées
à ce type de cavités, des mesures de micro-gravimétrie, de sismique
et de radar ont été effectuées sur trois sites pour lesquels la
typologie et l'emplacement des cavités sont parfaitement
connus.
Après quelques rappels sur les principes de base de ces trois
méthodes, nous détaillerons, pour chacun des trois sites, les
protocoles de mesures, les traitements appliqués aux dormées, et
enfin l'interprétation qui en découle. L'apport de chacune des
méthodes sera ensuite discuté afin que leur utilisation soit
optimale dans le cadre de la détection des cavités superficielles
de la ville de Strasbourg. Des études complémentaires seront
proposées afm de développer une méthodologie fiable.
Rapport BRGM R 40266
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
1. Principes de base de chaque méthode
1.1. LE RADAR GEOLOGIQUE
1.1.1. Principe
La technique d'auscultation par radar géologique est basée sur
la propagation d'ondes (puises) électromagnétiques dans le milieu.
Ces ondes se réfléchissent au niveau des contrastes diélectriques,
ces derniers pouvant être dus à la présence d'une cavité dans un
encaissant géologique. L'antenne émettrice peut être également
utilisée comme antenne réceptrice et le radar enregistre le temps
aller-retour du puise propagé puis réfléchi. Pour une vitesse de
propagation donnée, le temps enregistré est lié à la distance du
réflecteur à l'antenne. En déplaçant le dispositif des antennes sur
le sol, on acquière une information sur la géométrie des structures
réfléchissantes et diffractantes du sous-sol. La figure 1
schématise ce mode d'acquisition des sections-temps radar. Le
matériel de mesure comprenant l'unité centrale et l'anteime est
visualisé sur la photo de la figure 2.
Gûlcric de mintj
E : Emeticur radar R : Récopieur radar
n ii
s:̂
Direction de profil
A : Réflecteur plan (zone fracturée) B : Ràdcctour ponctuel
(cavité)
EnroQisIrement radar
distance de profil
- Onde réfléchie (2)
- Onde réfléchie (3) - « — Trace signal
Figure 1 : Principe d'acquisition des sections temporelles par
radar géologique
Rapport BRGM R 40266
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IÉtude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans S
la région de Strasbourg
Centraled'acquisition
Antenne 500 MHzémettrice et réceptrice
Figure 2 : Photographie du matériel radar lors des mesures à
Strasbourg
10 Rapport BRGM R 40266
IIiItlI
1.1.2. Paramètres d'acquisition utilisés a StrasbourgPour chaque
profil, des mesures ont été réalisées à l'aide d'antennes 500 MHz
et 100 MMHz. •
Le loess étant à priori conducteur et donc absorbant, les
antennes 100 MHz peuvent •permettre d'obtenir une meilleur
profondeur d'investigation. Elles ont été utilisées enmode
bistatique avec un écartement d'antennes de 90 cm. Le pas
d'échantillonnage mspatial moyen est de dx=0,02 m , le pas
d'échantillonnage temporel est de dt=0.4 ns et le |temps d'écoute
de T-400 ns. Un filtre analogique passe-bande limitant le spectre
de Fl=25 MHz à F2=150 MHz a été appliqué lors des mesures. M
Toutefois, les antennes 500 MHz semblent mieux adaptées à
l'impédance des milieuxconducteurs et mieux appropriées aux milieux
urbains car elles sont blindées et donc flsensées être aveugles aux
réflecteurs aériens environnants (véhicules garés sur la ™chaussée,
immeubles, palissades...)- Les mesures à 500 MHz ont été réalisées
en modemonostatique avec un pas d'échantillonnage spatial moyen de
dx=0,02 m , un pas Id'échantillonnage temporel de dt=0.19 ns , un
temps d'écoute de T=200 ns et filtrées par ™un filtre analogique
passe-bande limitant le sprectre de Fl=150 MHz à F2=750 MHz.
I1.1.3. Traitements appliqués
a) Filtrage M
Les mesures ont été traitées par le logiciel RADAR UNIX
(Grandjean & Durand, 1997)utilisant des fonctions du logiciel
Système Unix (Cohen, J. K. and Stockwell, Jr. J. W., _1997). Le
gain appliqué à l'acquisition est systématiquement remplacé par un
gain •A.G.C. identique pour toutes les traces. Pour minimiser le
bruit et les effets derésonance dans les câbles et l'antenne, les
signaux ont été filtrés par un filtre vertical mpasse-bande suivi
d'un filtre horizontal (filtre en pendage appliqué dans le domaine
Jf
ii
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
F/K). L'importance de la résonance rencontrée à 100 MHz mais
aussi à 500 MHz, est due à la déficience du couplage des antennes
au type de milieu ausculté.
b) Détermination de la profondeur d'investigation
La profondeur d'investigation correspond à la profondeur
maximale que le système radar ausculte. Elle est calculée à partir
du temps maximum d'em-egistrement dans la dynamique du système de
mesures et de la vitesse de propagation. Le temps limite d'écoute
est repéré sur la courbe d'atténuation moyenne. La vitesse est
estimée à partir des hyperboles de diffiaction.
* Mesure de l'atténuation moyenne :
L'atténuation est calculée à partir du calcul de l'amplitude
instantanée normalisée et moyermée sur toute les traces du profil
avant l'application des filtres et gains. L'atténuation prise en
compte est celle calculée en dB/ns avant que le signal enregistré
ait atteint la dynamique du matériel. On définit également à partir
de cette courbe la valeur du temps d'enregistrement maximum dans la
dynamique du système de mesures.
*Mesure de la vitesse moyenne
La vitesse est estimée à partir de la pente des hyperboles de
diffraction et de leur focalisation par migration.
c) Evaluation de la permittivité effective complexe du milieu
effectif
En plus de la profondeur d'investigation, l'estimation de
l'atténuation moyerme et de la vitesse de propagation permet
d'évaluer les caractéristiques diélectriques du milieu. En effet,
la propagation des ondes électromagnétiques est contrôlée par la
conductivité électrique, la permittivité diélectrique et la
perméabilité magnétique du milieu. Pour le milieu ausculté, en
l'occurrence le loess, et le remblais de chaussée, on peut
considérer que la perméabilité magnétique est identique à celle du
vide. On ne cormaît pas à priori les deux autres paramètres, mais
on peut en estimer leur ordre de grandeur à partir des mesures.
Le calcul de cette grandeur prend en compte à la fois les
propriétés intrinsèques du milieu (conductivité et permittivité)
mais aussi ses propriétés diffusantes puisqu'il est constitué en
surface de remblais qui sont des milieux très hétérogènes. Les
diffractions qu'ils génèrent peuvent jouer un rôle sur
l'atténuation et la vitesse de propagation du signal.
Pour ces différentes raisons, le paramètre calculé est une
permittivité effective qui ne différencie donc pas la conductivité
de la permittivité. Par ailleurs, il ne prend en compte aucune
variabilité spatiale. Il s'agit donc d'un paramètre qui caractérise
un milieu effectif correspondant au milieu étudié. C'est le
paramètre qui caractériserait un milieu homogène, de même réponse
au signal émis, en termes de vitesse de propagation et
d'atténuation. Il est intéressant de l'évaluer pour l'étude de la
faisabilité des mesures
Rapport BRGM R 40266 11
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
puisqu'il permet de quantifier les caractéristiques effectives
du sous-sol dans la région de Strasbourg.
1.2LASISMIQUE
1.2.1 Principe
La méthode sismique consiste à provoquer des ébranlements dans
le sous-sol et à observer en surface les ondes transmises vers les
récepteurs après propagation dans le sol, après d'éventuelles
réflexions sur les couches géologiques, ou des réfractions le long
de certaines interfaces.
L'ébranlement produit par la chute d'une masse sur le sol génère
différents types d'ondes : les ondes de volume dans lesquelles on
peut distinguer les ondes P de compression et les ondes S de
cisaillement; les ondes de surface comprenant les ondes de Love et
les ondes de Rayleigh. Les ondes de Rayleigh (M. Lavergne, 1989;
Bitri A., Le Bégat S., Baltassat J. M., 1997) se forment à la
limite air/sol (surface libre), elles sont beaucoup plus
énergétiques que les ondes de volume, et se propagent
horizontalement, dans les premiers mètres seulement, à ime
profondeur équivalant environ à un tiers de la longueur d'onde.
Elles ont une composante verticale et une composante horizontale
longitudinale.
Ce sont les ondes de Rayleigh qui nous intéressent ici pour leur
importance énergétique et la profondeur d'investigation
superficielle qui leur est associée. Des travaux de recherche pour
des problèmes de génie civils relatés dans la littérature
(Al-Shayea N.A. 1994; Haupt Wolfgang A. 1977) ainsi que des tests
synthétiques au BRGM ont pu mettre en évidence leur importance dans
les enregisrements et ont permis d'établir les phénomènes de
diffractions et réflexions des ondes de surface en présence d'une
cavité. Quand le front d'onde arrive au niveau de la cavité, la
partie des ondes de surface enfrant en contact avec la cavité et sa
maçonnerie, est convertie en ondes de volume diffractées, ces
dernières étant à nouveau converties en ondes de Rayleigh
lorsqu'elles atteignent la surface. La conversion des ondes de
surfaces en ondes de volume à l'origine de nouvelles ondes de
surface (qu'on nommera ici indifféremment "diffractées" ou
"réfléchies") ont été mises en évidence à partir de visualisation
de la propagation des fronts d'ondes sur des tests synthétiques.
Les récepteurs disposés avant la cavité vont donc recevoir ces
ondes diffractées après la première arrivée de l'onde de surface
alors que les récepteurs situés après la cavité enregistreront les
interférences de l'onde de surface directe et de l'onde diffractée.
Cette différence d'enregisfrement suivant la position des géophones
permet de détecter la présence de la cavité et de discriminer sa
position le long du profil de mesures, la figure 3 monfre un schéma
de principe de l'acquisition ainsi que les résultats synthétiques.
Le matériel de mesure comprend la centrale d'acquisition et les
géophones qui enregistrent la composante verticale des ondes
sismiques (figure 4).
12 Rapport BRGM R 40266
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IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
Source
* I l l i i Igéophones 1 8 m
-I—LJ M I I I I I I J I
i
Vp=900 m/sVs=410 m/sd=i900kg/m3
Maçonnerie ;Vp=4000 m/sVs=2500 m/sd=2200 kg/m3
galerie
Onde de surface généréepar l'onde de volumeau contact de la
cavité
dOnde de surfacediffractée parla cavité
0 . 3 -
Temps (s)
posit ion des geophones(n)15 20
L
i{ i
intesrsectiondes lignes dephases
Onde de volumetransmise
Onde de surfacetransmise
< S
-
- \
s i
\ !
•i à s
.—* —
dut gèophtmei (m)
Figure 3: Schéma du dispositif de mesuresa : Schéma du milieu
modélisé
b : Traces synthétiques correspondant à des mesures dans un
milieu homogènecontenant une cavité avec un parement maçonné. Les
récepteurs sont espacés d'J mavec une distance de la source au
premier récepteur de 26 m. La cavité est située à
une profondeur de 6 mc : Amplitude maximale de l'onde de surface
directe calculée à partir des synthétiques
Rapport BRGM R 40266 13
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IÉtude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans
la région de Strasbourg
Centrale d'acquisition _
II
Géophones ^Ê
II
Figure 4 : Photographie du dispositif d'acquisition sismique
lors de mesures à •Reischtett
1,2.2.Paramètres d'acquisition utilisés à Strasbourg |
La chute de masse est utilisée ici comme source sismique
impulsionnelle de fréquence mcentrale égale à environ 30 Hz dans le
loess. •
Sur les différents sites étudiés, les 24 géophones reliés aux 24
traces de la centraled'acquisition sont disposés le long du profil
de mesures de part et d'autre de la position ide la cavité avec un
espacement régulier de 1 m. Les enregistrements sont effectués
avectrois positions de source, respectivement situées à 1 m, 5 m et
10 m du premier Srécepteur. •
Le temps d'écoute est réglé à 512 ms avec un pas
d'échantillonnage temporel de 0,5 ms •sur 1024 points et une
moyenne sur dix tirs a permis d'optimiser le rapport signal sur
*bruit.
1,2.3. Traitements appliqués
Pour l'interprétation des données, un filtre passe-bande compris
entre 5 Hz et 90 Hz a Iété appliqué pour éliminer le bruit haute
fréquence restant.
La vitesse de propagation des ondes sismiques est évaluée par la
pente des arrivées gdirectes sur les sismogrammes. La détermination
des vitesses des différentes arrivéespermet de distinguer les
différents types d'ondes. m
L'étude de données synthétiques préalables à l'analyse des
mesures a permis d'envisagerune approche spécifique pour l'analyse
des données. •
14 Rapport BRGM R 40266
i
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
La figure 3-b montre les traces synthétiques dans le cas idéal
d'un milieu homogène contenant une cavité maçonnée. Les vitesses de
propagation utilisées sont indiquées sur le schéma du milieu
(figure3-a). Quatre événements sont visibles sur l'ensemble des
traces : deux arrivées a et è de pentes positives indiquant des
vitesses de propagation respectives de 900 m/s et 400 m/s ; deux
arrivées c et J de pentes négatives montrant une vitesse identique
de 400 m/s. Les échos c et d interfèrent respectivement avec les
arrivées aetb.
D'après les vitesses déterminées et l'orientation des échos, on
peut en déduire que l'arrivée a correspond à l'arrivée directe des
ondes P depuis la sovirce jusqu'aux géophones et l'arrivée b
correspond à l'arrivée directe des ondes de Rayleigh. Les deux
autres échos correspondent à des ondes de volume générées par la
cavité et converties en ondes de surface. Ils sont produits lorsque
l'onde de volume arrive sur la cavité (pour l'écho c) et lorsque
l'onde de surface arrive sur la cavité (pour l'écho d).
On s'intéresse aux échos b et d pour leur plus forte amplitude.
La présence de l'écho d permet de conclure sur la présence d'un
réflecteur dans le proche sous-sol.
L'accès à l'information sur la profondeur n'est pas directe sur
les mesures temporelles puisque les ondes de surface se propagent
uniquement horizontalement; les temps d'arrivée du train d'onde
n'informent donc pas sur la profondeur.
La position latérale de la cavité le long du profil est indiquée
par la position du géophone qui enregistre l'interférence entre
l'écho b et l'écho d. La position de cette interférence correspond
à l'intersection de la première phase de l'écho b avec la première
phase de l'écho d (lignes pointillées sur le graphe). Dans le cas
de l'image de synthèse, l'intersection indique une cavité à 18
mètres ce qui correspond effectivement à la position de la paroi
droite de la cavité.
Cependant, la détermination des lignes de phases peut être
difficile sur les mesures et cette donnée géométrique peut être
complétée par l'information contenue dans l'amplitude de l'arrivée
directe b le long du dispositif. Elle est visualisée par
l'amplitude instantanée maximale de chaque trace. Celle-ci (figure
3-c) montre des variations brutales dues à des interférences,
notamment lorsque l'onde diffractée par la cavité interfère avec
l'onde directe. La position de la cavité le long du profil est
indiquée sur ce graphe par une chute brutale des amplitudes se
produisant au niveau du récepteur situé à 18 mètres.
Des tests synthétiques réalisés avec et sans la présence d'une
maçonnerie entourant la cavité ont démontré que le signal diffracté
est d'autant plus fort que le contraste de vitesse entre la
maçonnerie et le milieu est élevé. La présence de la maçonnerie
renforce donc le pouvoir de détection de la cavité.
On peut donc, dans vin cas idéal, à partir des données sismiques
temporelles, détecter la présence d'une hétérogénéité dans la
subsurface. On peut également définir sa position
Rapport BRGM R 40266 15
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TÉtude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans
la région de Strasbourg
ilatérale le long du profil à partir de la première phase de
chaque écho ou bien de façon mplus automatique, à partir des
variations de l'amplitude maximale de l'onde de surface. I
1.3. LA MICRO-GRAVIMETRIE |
1.3.1. Principe
La gravimétrie étudie les variations de l'accélération de la
pesanteur à la surface de la mterre. Les variations observées sont
traduites en termes géologiques (structures ouvariations latérales
de densité dans le sous-sol). fl
La valeur de l'accélération de la pesanteur g est fonction de la
distribution des massesdans le sous-sol. Elle est donc dépendante
du volume et de la densité des corps présents •dans le sous-sol.
*
Une cavité est équivalente à un défaut de masse et créera une
anomalie négative du Mchamp de pesanteur, le matériel de mesure est
montré sur la photographie de lafigure 5 - a. —
iiiii
Figure 5-a : Photographie du dispositif d'acquisition
gravimétrique lors de mesures à •Reischtett
1.3.2. Paramètres d'acquisition utilisés à Strasbourg I
Les mesures gravi métrique s ont été réalisées le long des
profils radar et sismiques, avec mun pas d'échantillonnage spatial
de 10 mètres, resserré à 2,5 m aux environs des galeries |connues.
La précision des mesures, évaluée à partir de 11 points doubles,
est de 5/jgal.
Pour chaque série de mesures, une base topographique a été
réalisée. m
16 Rapport BRGM R 40266 |
i
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
1.3.3. Traitements appliqués
Les valeurs mesurées dépendent de la latitude, de l'élévation,
de la topographie des terrains environnants, de l'attraction
luni-solaire et de la variation de la densité dans le sous-sol. Des
corrections doivent donc être appliquées pour que les données
soient essentiellement représentatives de la variation de la
densité du sous-sol à l'échelle du profil.
La correction de latitude a été appliquée sur le profil N-S à
raison de 0,S3^gal/m. Une correction luni-solaire et une correction
de la dérive de l'appareil par retour à la base sont appliquées,
soit respectivement de 0,03S^gal/h et 0,036/igal/h pour les deux
sites décrits ultérieurement.
Puisqu'aucun relief topographique important n'existe dans un
rayon de 10 m autour des mesures et le long des profils réalisés,
aucune correction de terrain n'a été effectuée. Enfin, l'anomalie
régionale a été évaluée par ajustement de polynômes d'ordre 3 et
retirée des mesures.
On obtient ainsi, après ces différentes corrections, une
variation relative de l'anomalie résiduelle, caractéristique des
variations géologiques du proche sous-sol.
La figure 5-b montre le calcul numérique (2,5D) de l'anomalie
résiduelle générée par une cavité de 2m x 2m x 100m située à 5 m de
profondeur. Le contraste de densité relatif à la cavité vide est
fixé à -2.
Le résultat de cette simulation numérique montre qu'on peut
s'attendre, dans le cas des mesures de Strasbourg, à une anomalie
d'environ 20 |agal d'amplitude et de longueur d'onde de 20 m.
Figure 5-b : Résultats numérique (2,5 D) de l'anomalie
gravimétrique générée par une cavité de 2m x 2m x 100m située à5 m
de profondeur en milieu homogène et de
contraste de densité -2.
Rapport BRGM R 40266 17
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IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
2. Les trois sites auscultés
Les trois sites reportés ci-dessous contiennent des cavités de
géométries connues dont letoit est à une profondeur comprise entre
3 m et 5 m dans un encaissant de loesssurmonté en surface d'une
chaussée. Le loess correspond à la terrasse couvrant toute larégion
nord et ouest de Strasbourg et se situant au dessus de la nappe
phréatique. Lescavités sont donc hors d'eau.
Les deux premiers sites ont fait l'objet de mesures radar,
sismiques et gravimétriques.Sur le troisième site, seules les
méthodes radar et sismiques ont été appliquées, l'étenduedes
profils n'étant pas suffisante pour les mesures gravimétriques.
Pour chaque site décrit, les mesures traitées pour chacune des
méthodes géophysiquestestées sont présentées puis interprétées.
2.1. ATELIERS SNCF, BISCHHEIM
2.1.1. Le site
COMMUNAUTE URBAINE DE STRASBOURG
SERVICE DE LWORWATION GEOGRAPHIQUE
IJMliiMPosition de la source et du dispositif d'enregistrement
sismique
Profil de mesures radar
Profil de mesures micro-gravimétriques
Galeries maçonnées
Figure 6 : Plan cadastral du premier site de mesures - Ateliers
SNCF, Bischheim
Rapport BRGM R 40266 19
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géoptiysiques dans la région de Strasbourg
Sous ce site situé sur le parking des ateliers SNCF de la ville
de Bischheim, les galeries correspondent à des abris antiaérien
construits pendant la dernière guerre. Plusieurs ensembles ont été
creusés dans le quartier sans être achevés. Ils ne sont donc pas
reliés entre eux. La figure 6 indique la position d'une partie des
réseaux sur le plan cadastral et les profils de mesures effectués
par radar, tirs sismiques et gravimétrie, la figure 7 schématise la
géométrie de la galerie : le toit est situé entre trois et cinq
mètres de profondeur; la maçonnerie de la voûte est en parpaings de
béton.
Chaussée
un -m n
t i
E co
Loess
J _
Parois en béton ; (pièces préfabriquées)
(25 cm)
Débris
Radier en béton armé (20cm)
Figure 7 : Schéma d'une section de la galerie du premier site de
mesures SNCF, Bischheim
•Ateliers
20 Rapport BRGM R 40266
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méttiodes géophysiques dans la région de Strasbourg
2.1.2. Mesures et interprétations
Les figures 8, 9, 10 correspondent aux mesures réalisées par les
trois méthodes mises en correspondances avec le schéma du sous-sol
ausculté sur ce site.
La figure 8 visualise les mesures radar réalisées à 500 MHz,
amplifiées et filtrées et leur courbe d'atténuation moyenne.
La figure 9 montre les enregistrements temporels sismiques et
l'atténuation maximale de l'onde de surface directe.
Les données de l'anomalie gravimétrique résiduelle sont
présentées figure 10.
Sud
Profil de mesures
Nora
•
Û galerie
temps (ns)
10.
30.
"îo c
E
Atténuation (dB)
î T t "f ' .-1 1 1 - - - ^
!/ 1 !
«rCtj
1
0 0
Figure 8 : Mesures radar acquises sur le premier site - Ateliers
SNCF, Bischheim a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et
filtrée
b- Atténuation moyenne
Rapport BRGM R 40266 21
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
a ; .Onde de volumetransmise
Position des géophones (m)
10 15 20
Onde de surfaceréfléchie par la cavité ci
mmb:
Onde de volumeréfractée par unecouche de chaussée
intersectiondes lignesde phases
onde de Rayleightransmise
Nord géophones SudSource I I i i l I Mil
1 mètregalerie
22
Figure 9 : Mesures sismiques acquises sur le premier site -
Ateliers SNCF,Bischheim
a- Traces temporelles avec un offset de 1mb-Amplitude maximale
de l'onde de surface directe
Rapport BRGM R 40266
liiiIliIiIIIIIitIiIII
-
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
10 20 30 40 50- a -
60 70 80 90 100Distance (m)
20
10 - f - - -
Figure 10 : Mesures acquise sur le premier site - Ateliers SNCF,
Bischheima-Anomalie de Bouguer
b - anomalie gravimétrique résiduelle après retrait de la
régionale
a) Auscultation par Radar Géologique
Sur la section radar (figure 8-a), les échos repérés à 10 ns et
18 ns sont antiphasés etcorrespondent aux différentes couches les
plus importantes du remblai de chaussée.Leur continuité est
interrompue par la réalisation de tranchées remblayées
différemment.
La courbe d'atténuation (fig 8-b) montre une dynamique du
système de 50 dB quiprouve une mauvaise adaptation des antennes au
milieu. En effet, celle-ci peut atteindre60 dB dans d'autres
terrains. Dans le présent contexte, la dynamique maximale
estatteinte pour un temps d'enregistrement de 30 ns. Par ailleurs,
la vitesse de propagationest estimée entre 0,07 m/ns et 0,09 m/ns
suivant les zones du profil. On calcule donc uneprofondeur
d'investigation comprise entre 1,05 m et 1,35 m. Cette profondeur
estnettement inférieure au toit de la cavité qui ne peut donc pas
être détecté. A partir de
Rapport BRGM R 40266 23
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
cette atténuation et de ces vitesses de propagation, on trouve
une permittivité effective équivalente comprise entre 18+2,23i et
ll+l,35i. Ces valeurs correspondraient à une conductivité de
0,037S/m à 0,061 S/m, donc située dans la gamme de conductivité des
argiles.
On peut mettre en correspondance les observations faites en
surface lors des mesures avec des événements sur l'image radar. Par
exemple, l'écho important situé de 59 m à 63 m sur le profil et les
deux hyperboles qui le succèdent sont liées à l'existence d'égouts
dont les bouches ont été repérées en surface. De même, les
ancieimes tranchées et autres travaux visibles par une variation du
revêtement de chaussées provoquent une signature radar particulière
soit parce qu'ils correspondent à la mise en place d'objet tels que
des tuyauteries, soit parce qu'ils correspondent à un type de
remblais différents de celui d'origine. Certains objets, comme le
point diffractant situé à 37 m le long du profil, n'ont pas pu être
repérés en surface et ont probablement été mis en place lors de la
construction de la chaussée. Ils faut noter que tous ces objets
sont superficiels.
b) Auscultation par ondes sismiques
La coupe-temps des enregistrements sismiques (figure 9-a) montre
différents échos :
- Un premier écho correspondant à la propagation directe des
ondes de volume. Il est formé par deux pentes successives (a et b).
La deuxième pente indique une vitesse de propagation de 500
m/s.
- Un deuxième écho (c) de même orientation mais de pente plus
élevée correspond à l'arrivée directe de l'onde de surface avec une
vitesse de propagation de 150 m/s.
- Enfin, un écho (d) d'orientation opposée est formé par les
ondes de surface car la pente indique également une vitesse de
150m/s.
Le graphe de l'amplitude maximale (figure 9-b) indique une
décroissance générale de l'amplitude affectée par quatre chutes
brutales pour les positions 3m, 7m, 13m et 17m.
Sur la coupe-temps, les deux pentes successives (a et b) sont
dues à la réfraction des ondes P par une couche superficielle; la
vitesse de 500 m/s correspondrait alors au loess. A partir des
pentes a et b et l'intercept à 22 ms, on évalue l'interface de
réfraction à 2,5 m de profondeur. Cette interface est trop profonde
pour l'épaisseur d'une chaussée mais peut correspondre à une limite
entre l'encaissant et une zone superficielle de remblais. On
remarque que les temps d'arrivée des ondes P sont proches de
l'arrivée des ondes de surface et rendent difficile la lisibilité
des mesures. L'écho diffracté (d) est de très faible amplitude et
visible sur peu de traces (géophones 10 à 15). Il est difficile à
repérer à cause des multiples échos qui interfèrent au niveau des
dix premières traces. L'intersection de la première phase des échos
(c) et (d) est située au géophone 23. Celle-ci est assez difficile
à déterminer à cause de la durée des puises et des différentes
phases qu'ils contiennent.
24 Rapport BRGM R 40266
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Sur le graphe d'amplitude maximale, si on cherche les
interférences qui peuvent être à l'origine des quatre variations
brutales, on remarque qu'à 7 et 13 m sur les traces temporelles,
les ondes de volumes réfractées interfèrent avec l'onde de surface
directe aux points respectifs N et O. A 3 m, il semble également se
produire des interférences avec l'onde directe au point M mais
elles sont plus difficiles à mettre en évidence. A 17 m, la chute
d'amplitude peut être due à l'interférence entre les puises c et J
en Q. Toutefois, une variation latérale de l'atténuation du milieu
de propagation peut également être à l'origine de ce phénomène.
La cavité se situe à 17 m sur le profil. La détermination de sa
position le long du profil par l'intersection des phases ne
correspond pas à sa position réelle alors que sur le graphe
d'amplitude maximale, une des chutes brutales se produit à la
position de la cavité.
A partir de ces mesures et d'après l'analyse des traces
temporelles comme de l'amplitude maximale, on peut conclure que
:
- la cavité a généré une diffraction des ondes de surface même
si l'amplitude de l'écho sur les traces temporelles est faible et
difficile à détecter. Pour mieux séparer les différents échos et
mieux mettre en évidence les caractéristiques de l'onde de surface,
il serait bénéfique d'effectuer un tir à offset plus grand et de
confronter l'information avec un tir opposé (source au sud),
- Un tir ne permet pas de définir la position de l'objet à cause
des effets 3D. Pour lever l'ambiguité du 3D, il serait utile de
réaliser des tirs avec des dispositifs parallèles et
perpendiculaires et de coupler les mesures avec un autre type
d'information (cormaissance à priori du type de cavité recherché
(2D ou ID), mesures par d'autres méthodes géophysiques).
- La technique de l'amplitude maximale donne un résultat plus
précis que celle de l'intersection des phases et devrait être plus
déterminante avec un tir à offset plus grand pour lequel les ondes
de volumes n'interféreraient pas avec l'écho direct de l'onde de
surface.
- Les mesures ne permettent pas de définir la nature de l'objet
diffractant. Il peut s'agir de blocs rocheux comme de cavités.
Cette question nécessite le couplage avec des mesures
gravimétriques.
c) Auscultation par micro-gravimétrie
L'anomalie résiduelle d'ordre 3 (figure 10-b) fait apparaîfre
deux anomalies A et B de faibles amplitudes (20 à 22,5 /dgal) de
longueur d'onde de 20 mèfres cenfrées sur les points situés à 30 m
et 70 m.
Rapport BRGM R 40266 25
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
Les mesures sont peu bruitées et les anomalies sont nettement
discernables enamplitudes.
L'amplitude et la longueur d'onde de ces anomalies correspondent
à celles attenduespour de telles cavités (voir le résultat
numérique, figure 5-b)
L'anomalie A est définie sur cinq points, elle correspond sans
ambiguité au défautde masse généré par la galerie située à son
aplomb.
L'anomalie B n'est définie que sur un point à cause de
l'espacement des mesures.Bien que l'amplitude et la longueur d'onde
coincident avec la réponse dune cavité demême type, le resserrement
des mesures autour de cette position serait nécessaire pourconclure
sur la signification de cette anomalie et sur l'éventuelle présence
de cavité.
2.2. FORT RAPP, REISCHTETT
2.2.1. Le site
•CMMUNAl/Tt U t tAM Et STBASBOJB5j ' * ! ' ' ' • V '•-"•'•'-_ .
_ . — r „ 1 r, \_ - j ,
* •—• Position de la source et du dispositif d'enregistrement
sismique
-"-•—•$?• Profil de mesures radar
Profil de mesures micro-g ravi métriques
Galeries maçonnées
Figure 11 : Plan du deuxième site de mesures - FortRapp,
Reischtett
26 Rapport BRGM R 40266
iiIiilIIiIiIiiIIIiiIt
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méttiodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Le deuxième site de mesures se situe sur la commune de
Reischtett, au nord de Strasbourg. Les cavités sont formées par des
galeries de contre-mines qui rayoïment à partir de l'enceinte de la
forteresse de Fort Rapp. La figure 11 montre le plan du réseau
souterrain ainsi que la position des profils réalisés sur la
chaussée.
Les galeries sont creusées dans le loess à environ 4 m de
profondeur et leurs voûtes sont construites en briques, la figure
12 présente leur géométrie.
E co
Figure 12 - Schéma d'une section de la galerie du deuxième site
de mesures - Fort Rapp, Reischtett
Rapport BRGM R 40266 27
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par métliodes géophysiques dans la région de Strasbourg
2.2.2. Mesures et interprétations
Pour ce site, les mesxires de radar géologique ainsi que la
courbe d'atténuation moyerme correspondante, les données de
sismique et micro-gravimétrie sont visualisées figures 13, 14, 15.
Des schémas indiquant la position des cavités y figurent
également.
Ouest
JKSSUiêiSSSSKSS-Est
— •
Temps (ns;
Figure 13 : Mesures radar acquises sur le deuxième site - Fort
Rapp, Reischtett a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et
filtrée
b- Atténuation moyenne
28 Rapport BRGM R 40266
-
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
Position des géophones (m)
10 15 20
0 . 0 5 -
0 . 1 -
0 , 1 5 -
Onde de surface o.2_réfléchie par la cavité
intersection, des lignes
/ de phases
Onde de volumeréfractée par unecouche de chaussée
onde de surfacetransmise
V
,x
Est* -Source
1 mètre
i • : MOuest
géophones
r\
gâterie
Figure 14 : Mesures sismiques acquises sur le deuxième site -
Fort Rappf Reischtetta- Traces temporelles avec un offset de 10
m
b-Amplitude maximale de l'onde de surface directec- Schéma du
site de mesures
Rapport BRGM R 40266 29
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
J I I l
+4^W
Anomalie Régionale d'ordre 3
100
90
80
70
60
50
40
30
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110- a- ifance (m)
10
- c -
Figure 15 : Mesures gravimétriques acquises sur le deuxième site
- FortRapp,Reischtett
a - Anomalie de Bouguerb - anomalie gravimétrique résiduelle
après retrait de la régionale
c- Schéma du site de mesures
a) Auscultation par radar géologique
Une fois filtrée, La section radar (figure 13-a) ne montre plus
tous les échos multiplesvisibles sur le site précédent. Le couplage
d'antenne semble mieux adapté pour ce siteque pour le
précédent.
Cependant, trois hyperboles apparaissent après 35 ns. La
migration des mesures avecune vitesse équivalente à celle de la
vitesse de la lumière dans le vide focaliseparfaitement ces
hyperboles et montre ainsi qu'il s'agit d'échos aériens. Malgré
leblindage des antennes, il se produit donc une perte du
rayonnement vers le haut.
30 Rapport BRGM R 40266
iiiiiiiiiiiiiiiiiiiii
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Par ailleurs, on trouve une vitesse de propagation dans le
milieu de 0,09 m/ns L'atténuation sur la figure 13-b indique une
dynamique de 55 dB et un temps d'écoute maximum de 35 ns. On évalue
donc une atténuation dans le milieu de 17,5 dB/m soit 2Np/m pour
une fréquence de propagation de 500 MHz et une profondeur
d'investigation de 1,6 m. A partir de cette atténuation et de la
vitesse de propagation, on évalue la permittivité effective du
milieu à K=l l+0,035i. Pour un milieu de permittivité imaginaire
nulle, la conductivité serait de 0,035 S/m. Cette permittivité
effective ne permet donc pas de détecter à les galeries, et malgré
la résonance minime par rapport au premier site, les
caractéristiques du milieu restent dans le même ordre de
grandeur.
b) Auscultation par ondes sismiques
La coupe temporelle (figure 14-a) visualise des échos directs et
réfléchis de la même façon que la précédente :
- Une arrivée directe (a) des ondes P réfractées dont la pente
indique une vitesse de 650 m/s dans le loess
- Une arrivée directe (b) des ondes de Rayleigh se propageant
avec une vitesse de 180 m/s.
- L'écho réfléchi de pente opposée à l'arrivée directe (c)
Le graphe des amplitudes maximales (figure 14-b) montre deux
anomalies (à 12 m et 16 m) superposées à la décroissance
générale.
Comme sur le site précédent, les ondes de volumes sont
réfractées par les couches de la chaussée et sur les traces
précédant le géophone situé à 8 m, les ondes P se dissocient mal
des ondes de Rayleigh. L'echo (c) est nettement visible sur la
coupe-temps. Les lignes de phases des échos è et c sont difficiles
à déterminer et leur intersection se situe entre 15 et 18 mètres le
long du profil.
Les anomalies observées sur le graphe des amplitudes maximales
peuvent être dues à des interférences entre différents échos et
l'onde de surface en M et en N (figure 14-a). Cependant, il est
difficile de les différencier.
On sait que la cavité est située à 16 mètres. La position de la
deuxième anomalie d'amplitude indiquerait l'emplacement de la
cavité.
L'analyse des mesures sur ce deuxième site montre donc que :
- L'écho diffracté par la cavité est facilement détectable sur
la coupe temporelle.
- L'offset plus important (10 mètres) permet de mieux distinguer
le train d'ondes de Rayleigh direct.
Rapport BRGMR 40266 31
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
- Pour le positionnement de la cavité le long du profil,
l'intersection des phases indique une position difficile à
préciser. Cependant, l'interférence des ondes de volumes réfractées
avec l'onde de Rayleigh directe rend difficile l'interprétation du
graphe d'amplitude. L'ambiguité pourait être levée avec un tir
opposé (source à l'ouest). Ce deuxième tir permettrait de séparer
les deux interférences situées en M et N.
- En ce qui concerne la nature de l'objet diffi-actant et les
effets 3D, les problèmes du site précédent restent posés et un
couplage avec des mesures gravimétriques permettrait de lever
certaines indéterminations.
c) Auscultation par micro-gravimétrie
Les données gravimétriques de l'anomalie résiduelle (figure
15-b) montrent de nombreuses oscillations de 5 m de longueur
d'onde.
Centrée sur le point de mesure 25, on observe une anomalie
négative (A) de Sjugal d'amplitude et de longueur d'onde de 10
m.
Une anomalie (B) de Sjugal d'amplitude et de longueur d'onde
égale à 20 m est mesvurée autour du point de mesure 80.
Le site est très urbanisé et les oscillations de 5 m de longueur
d'ondes peuvent être attribuées à du bruit.
De plus, l'amplitude et la longueur d'onde de l'anomalie A ne
correspondent pas à celles attendues pour une cavité de telle
typologie. Peut être la galerie est-elle en partie éboulée et
comblée au niveau du profil. La cavité serait alors plus petite et
moins profonde et pourrait générer une anomalie de ce type.
La longueur d'onde de l'anomalie B correspond effectivement au
type de cavité existant sous ce profil. Cependant, elle n'est pas
centrée sur la position de la galerie et possède une amplitude plus
faible que celle attendue. L'analyse de ces mesures, et leur
comparaison avec les modèles numériques, tendraient à proposer deux
cavités proches et superficielles.
Il serait utile de vérifier si effectivement les galeries sont
plus superficielles et de plus petites dimensions à ce niveau du
site ou si la trop forte urbanisation du site constitue une limite
à la méthode pour la détection des cavités de la typologie des
galeries de Fort Rapp. Un autre profil de mesures parallèle
pourrait permettre de filtrer le bruit non corrélé entre les deux
profils.
32 Rapport BRGM R 40266
-
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
2.3. BRASSERIE HEINEKEN, SCH1LTIGHEIM
2.3.1. Le site
Ce troisième site correspond à l'emplacement d'anciennes caves à
bière, actuellementsous un parking de la brasserie Heineken à
Schiltigheim. Le plan des couloirs et dessalles souterraines ainsi
que les profils de mesures réalisés sont montrés sur la figure
16.Le toit de ces cavités souterraines se trouve à environ trois
mètres de la surface.
Sur ce site, des mesures radar et des mesures sismiques ont été
effectuées. Elles sontdécrites et interprétées ici. Un tel site ne
convient pas à priori aux mesuresgravimétriques car il ne permet
pas de prolonger suffisamment les mesures vers le sudde façon à
identifier correctement la tendance régionale.
• — • Position de la source et du dispositif d'enregistrement
sismique„ — — ^ Profils a,b,c de mesures radar
VS/////BA Maçonnerie délimitant les anciennes caves à bière
Figure 16 : Plan du troisième site de mesures - Brasserie
Heineken, Schiltigheim
Rapport BRGM R 40266 33
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
2.3.2. Mesures et interprétations
Les figvires 17 et 18 visualisent les mesiires acquises par
radar et sismique.
Sud Profil de mesures Nord
- — > •
Série de galeries
Û ÛÛ Egout Atténuation (dB)
1 -f f ' f •!• f
. ^
P ' '
l^ g' ^ m
1
ic 1 1
$ 1 1
•f^ -j-f-
i i i i
I ;
V
Atténuation (dB)
T T T î f i .
^-•i—f-]-f--f-
temps (ns)
Figure 17 : Mesures radar acquises sur le troisième site de
mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim
a- Coupes temporelles à 500 MHz amplifiées et filtrées des
profils a,b,c b-Atténuations moyennes des profils a,b,c
34 Rapport BRGM R 40266
-
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dansla région de Strasbourg
Position des géophones (m)
0.05-
0 . 1 -
c : -^Onde de surfaceréfléchie par la cavité
3. 0.15-(0CL
intersectiondeslignes dephases
a :Onde de volumeréfractée par unecouche de chaussée
b:onde de surfacetransmise
Q. s*"
< & I •••'•
\
Position des géophones
Nord
*Source
I I I Ul I I I ISud
géophones
1 mètre
Série de galeries
Figure 18 ; Mesures sismiques acquises sur le troisième site de
mesures - BrasserieHeineken, Schiltigheim
a- Traces temporelles avec un offset de 5 mb-Amplitude maximale
de l'onde de surface directe
c- Schéma du site de mesures
Rapport BRGM R 40266 35
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
a) Auscultation par radar géologique
Sur les profils radar a,b,c de même orientation (figure 17-a),
des échos aériens apparaissent en fins de sections. Par ailleurs,
d'un profil à l'autre, les structures 2d de la chaussée sont
visibles. Ici encore, l'atténuation est forte pmsqu'on mesure une
dynamique de 60 dB pour un temps maximum d'écoute de 40 ns (figure
17-b). L'atténuation est évaluée à 19 dB/m soit 2,2 Np/m avec une
vitesse de 0,08m/s. La permittivité complexe équivalente est de
14+l,54i, la conductivité d'un milieu équivalent sans permittivité
imaginaire est de 0,043 S/m à 500 MHz.
b) Auscultation par ondes sismiques
Le milieu ausculté sur ce troisième site présente une série de
galeries avec des voûtes.
L'observation de la coupe-temps (figure 18-a) montre :
- Une arrivée des ondes P (a) avec une pente indiquant une
vitesse de 500 m/s. - Une arrivée directe des ondes de surface (b)
avec une vitesse de 200 m/s. - Un écho diffracté (c) de pente
opposée et de même vitesse que l'écho b. - Quelques échos
diffractés peu visibles (d)
Le graphe des amplitudes maximales montre clairement la
décroissance générale des amplitudes des ondes de surface affectées
de quatre variations brusques à 6, 10, 15 et 20 mètres.
Sur la coupe-temps, au point M, l'arrivée à 0,05 s peut être due
à la réfraction des ondes P mais aussi à leur diffraction sur un
objet car il semble s'amorcer une hyperbole.
L'écho diffracté (c) est d'amplitude suffisamment importante
pour être détecté. Mais les échos diffractés suivants, tels que le
(d), sont frès faibles et difficiles à discerner. L'objet générant
l'écho c serait situé à 11 mètres en considérant l'intersection des
phases. D'apès le graphe d'amplitude, les anomalies seraient dues
aux interférences respectives aux. points N,0,Q,R sur la coupe
temps. L'anomalie située à 10 mètres indiquerait alors la position
de la première cavité, les autres seraient relatives à d'autres
interférences.
L'analyse des mesures sur ce demier site permet de conclure que
:
- L'écho diffracté par la cavité est d'amplitude importante et
nettement discernable sur la coupe-temps. L'offset de 5 mètres
entre la source et le récepteur a permis ici à l'énergie arrivant
sur la cavité d'êfre suffisamment importante. Cependant, cet écho
se situe dans une zone où les ondes de surfaces ne sont pas encore
bien discernables des ondes de volumes (en comparaison avec les
mesures sur le site précédent).
- Les échos qui auraient pus être générés par les voûtes
suivantes sont trop faibles pour être clairement détectés, d'une
part parce que l'offset devient grand et d'autre part parce qu'ime
partie de l'énergie se propageant a déjà été diffractée par la
première vôute.
36 Rapport BRGM R 40266
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
- L'intersection des phases reste approximative pour le
positionnement de la cavité le long du profil. Par contre, la
courbe d'amplitude indique précisément le positionnement de la
cavité finissant à 10 mètres sans ambiguïté avec d'autres
événements, cependant, les enregistrements des ondes de surfaces à
partir d'un tir sismiques ne fournissent pas d'information sur
l'extension de la cavité le long du profil. La position à 10 mètres
correspond à la deuxième limite entre la maçonnerie et le vide de
la cavité mais n'indique pas la position du centre de la
cavité.
- Comme dans les cas précédents, les mesures sur un tir ne
permettent pas de distinguer les effets 3D et les mesures sismiques
ne permettent pas de donner la nature de l'objet diffractant.
Rapport BRGM R 40266 37
-
Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par métliodes géophysiques dans la région de Strasbourg
3. Discussion des performances de chaque méthode, limites et
directions d'études.
 partir des mesures reportées précédemment, différentes
conclusions peuvent être tirées pour l'auscultation des cavités.
Dans l'ensemble, dans la région de Strasbourg, celles-ci sont
maçonnées de diamètres allant de 1 à 3 m et situées à une
profondeur de 3 à 5 m , dans un encaissant de loess surmonté d'une
chaussée.
Les mesures en micro-gravimétrie ont montré, sur le premier
site, ime anomalie négative représentative de la cavité connue pour
un pas d'échantillonnage spatial de 2,5 m. Sur le deuxième site,
deux anomalies ont été détectées au niveau des cavités mais avec
une amplitude faible pour la typologie des galeries.
Le pas d'échantillonage de 2,5 m est recommandé pour ce type de
cavité puisque les mesures svir le premier site en fm de profil
avec un pas d'échantillonnage de 10 m ne permettent pas de
conclvire sur la présence d'une cavité.
Sur le deuxième site très urbanisé, le bruit des mesures est
très important et l'amplitude des anomalies très faibles. Dans ce
cas, des mesures complémentaires sur des profils parallèles sont à
envisager pour filtrer le bruit non cohérent.
Sur ce site, l'amplitude des anomalies ne correspond pas à
celles attendues pour des cavités représentatives de Strasbourg.
Des études complémentaires seraient nécessaires afin de déterminer
la cause de cette variation qui peut être due par exemple à un
changement local de la profondeur et du diamètre des cavités. La
limite de la méthode dans un contexte trop urbanisé peut aussi être
atteinte.
Par ailleurs, certains sites ne permettent pas d'avoir un recul
suffisant pour réaliser les mesures gravimétriques. Sur le
troisième site par exemple, la clôture du parking ne permet pas de
réaliser des mesures de part et d'autre des cavités. De ce fait,
les mesures gravimétriques n'auraient pas permis de distinguer
l'anomalie locale de la tendance de l'anomalie régionale.
Pour ces raisons, il peut être intéressant de coupler les
mesures micro-gravimétriques avec une autre méthode
d'auscultation.
Sur les enregistrements sismiques des trois sites, des échos
d'ondes de surface diffractées sont visibles à des niveaux
correspondants aux cavités.
Cependant, sur le premier site notamment, l'amplitude est très
faible et le signal diffiracté est affecté par différentes
interférences qui empêchent de le suivre sur de nombreux
géophones.
Rapport BRGM R 40266 39
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Dans le cas du troisième site où plusieurs cavités se succèdent,
seule la première génère un écho dififracté nettement détectable
sur la coupe-temps. Les suivantes génèrent des échos faiblement
énergétiques.
Des études complémentaires sont nécessaires à partir de données
synthétiques et de mesures sur le terrain pour évaluer le type
d'offset optimum qui d'une part permettrait d'errregistrer un écho
diffracté suffisamment énergétique pour être détecté sans
ambiguïté, et qui d'autre part laisserait la distance suffisante
pour la mise en place de ondes de surface et leur distinction avec
les les ondes de volumes.
Lorsque l'écho diffiacté est détecté sur la coupe temps, le
positionnement de l'objet diffractant le long du profil peut être
déterminé en pointant l'intersection des phases de chaque écho.
Cette méthode géométrique est difficile à mettre en pratique sur
des mesures car les puises sont oscillants et les phases sont
difficilement distinguables. Sur les trois sites étudiés, cette
approche a fourni des résultats variables.
Une autre façon de déterminer la position de l'objet, c'est à
dire de définir la position de l'interférence entre l'onde de
surface directe et l'onde diffractée, est de calculer l'amplitude
maximale de chaque trace. Sur les trois sites étudiés, une anomalie
se produit au niveau de la cavité. Cependant, d'autres
interférences génèrent des anomalies de ce type, notamment les
interférences avec l'onde de volume réfractée par la couche de
chaussée.
Lorsque les différentes interférences sont difficiles à
dissocier, un tir inverse pourrait apporter im complément
d'informations nécessaires. Pour ce problème de psitionnement de
l'objet, il serait utile de prolonger les études théoriques afin
d'étudier le type de dispositif optimum.
Toutefois, la détermination de la position de l'objet le long du
profil n'est valable que si celui-ci est effectivement à l'aplomb
des géophones. La source sismique étant 3D, on ne peut s'assurer
que les objets détectés sont effectivement le long du dispositif
linéaire. Pour résoudre cette ambiguïté des dispositifs plus
complexes de géophones positionnés sur une maille en surface
pourraient être testés.
Une deuxième limite repose sur la nature de l'objet diffractant.
Ce problème peut toutefois être facilement résolu par le couplage
avec des mesures de micro-gravimétrie.
Les mesures par radar géologique sur les trois sites ont montré
que cette méthode est mal adaptée au milieu qui est trop atténuant
pour les ondes électromagnétiques. La profondeur d'investigation
est de l'ordre de 1,5m alors que les cavités sont situées entre 3
et 5 mètres de profondeur.
40 Rapport BRGM R 40266
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Conclusion
Trois sites situés dans la région de Strasbourg ont été
auscultés par différentes méthodes géophysiques : gravimétrie,
sismique et radar. Des tests ont permis d'estimer la faisabilité de
telles méthodes pour la détection de cavités de diamètre allant de
1 à 3 m, situées à une profondeur allant de 3 à 5 mètres dans le
loess.
La micro-gravimétrie, après corrections et retrait de la
régionale, a permis dans tous les cas de détecter des anomalies au
niveau des cavités. Cependant, des études complémentaires, par
exemple sous la forme de trois profils parallèles, sont nécessaires
pour les sites très urbanisés ayant fourni des mesures très
bruitées.
Sur les mesvires sismiques, un écho diffracté des ondes de
surface a été enregistré au niveau de chaque cavité située le long
du profil. Cependant, leur faible amplitude sur le premier site et
les multiples interférences des ondes de surfaces avec d'autres
échos incitent à poursuivre les études afin d'optimiser le
dispositif et la méthode d'analyse. Nos efforts porteront
essentiellement sur le positionnement de la cavité le long du
profil et sur l'estimation de sa profondeur.
L'impossibilité de définir la nature de l'objet difft-actant à
partir des mesures sismiques et les différents types de problèmes
rencontrés liés aux limites d'accès du site où à la forte
urbanisation, tendent à préconiser l'analyse couplée des deux
méthodes pour la détection des cavités dans la région de
Strasbourg.
Par ailleurs, l'analyse des mesures par radar géologique a
montré que le loess est trop atténuant pour la détection des
cavités situées à plus de 1,5 m de profondeur.
Rapport BRGM R 40266 41
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par métliodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Bibliographie
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Rapport BRGM R 40266 43
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méttiodes géoptiysiques dans la région de Strasbourg
Liste des Figures
Figure 1 - Principe d'acquisition des sections temporelles par
radar géologique
Figure 2 - Photographie du matériel radar lors des mesures à
Strasbourg
Figure 3 - Schéma du dispositif de mesures :
a- Schéma du milieu modélisé
b- Traces synthétiques correspondant à des mesures dans un
milieu homogène contenant une cavité avec un parement maçonné. Les
récepteurs sont espacés d'I m avec vme distance de la source au
premier récepteur de 26 m. La cavité est située à une profondeur de
6 m
c- Amplitude maximale de l'onde de surface directe calculée à
partir des synthétiques
Figure 4 - Photographie du dispositif d'acquisition sismique
lors de mesures à Reischtett
Figure 5 - a- Photographie du dispositif d'acquisition
gravimétrique lors de mesures à Reischtett.
b- Résultats numérique (2,5 D) de l'anomalie gravimétrique
générée par une cavité de 2m x 2m x 100m située à 5 m de profondeur
en milieu homogène et de contraste de densité -2.
Figure 6 - Plan cadastral du premier site de mesures - Ateliers
SNCF, Bischheim
Figure 7 - Schéma d'une section de la galerie du premier site de
mesures - Ateliers SNCF, Bischheim
Figure 8 - Mesures radar acquises sur le premier site - Ateliers
SNCF, Bischheim
a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et filtrée b-
Atténuation moyenne
Figure 9 - Mesures sismiques acquises sur le premier site -
Ateliers SNCF, Bischheim
a- Traces temporelles avec un offset de Im b- Amplitude maximale
de l'onde de surface directe
Rapport BRGM R 40266 45
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Étude de faisabilité pour la détection de cavités souterraines
par méthodes géophysiques dans la région de Strasbourg
Figure 10 - Mesures acquise sur le premier site - Ateliers SNCF,
Bischheim
a- Anomalie de Bouguer b- anomalie gravimétrique résiduelle
après retrait de la régionale
Figxire 11 - Plan du deuxième site de mesures - Fort Rapp,
Reischtett
Figure 12 - Schéma d'une section de la galerie du deuxième site
de mesures - Fort Rapp, Reischtett
Figure 13 - Mesures radar acquises svir le deuxième site - Fort
Rapp, Reischtett
a- Coupe temporelle à 500 MHz amplifiée et filtrée b-
Atténuation moyenne
Figure 14 - Mesures sismiques acquises sur le deuxième site -
Fort Rapp, Reischtett
a- Traces temporelles avec un offset de 10 m b- Amplitude
maximale de l'onde de surface directe c- Schéma du site de
mesures
Figure 15 - Mesures gravimétriques acquises sur le deuxième site
- Fort Rapp, Reischtett
a- Anomalie de Bouguer b- anomalie gravimétrique résiduelle
après retrait de la régionale c- Schéma du site de mesures
Figure 16 - Plan du troisième site de mesures - Brasserie
Heineken, Schiltigheim
Figure 17 - Mesures radar acquises sur le troisième site de
mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim a- Coupes temporelles à
500 MHz amplifiées et filtrées des profils a,b,c b- Atténuations
moyennes des profils a,b,c
Figure 18 - Mesures sismiques acquises sur le troisième site de
mesures - Brasserie Heineken, Schiltigheim
a- Traces temporelles avec un offset de 5 m b- Amplitude
maximale de l'onde de surface directe c- Schéma du site de
mesures
46 Rapport BRGM R 40266
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BRGM Service Reprographie
Impression et façonnage
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BRGMDirection de la Recherche _
Laboratoire de Géophysique IBP 6009 - 45060 ORLEANS Cedex 2 -
France - Tél. : (33) 02.38.64.34.34 •
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