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Expertise d’une cavité de type crayère, c'est-à-dire une carrière dans la craie qui a la forme d'une pyramide souterraine. Cette cavité (en fait un réseau) se situe dans l'agglomération de Châlons-en-Champagne (Marne, France, 2006). © BRGM - Christian Mathon

Recherche de cavités souterraines en milieu urbain : couplage microgravimétrie - levé en 3D haute précision (Zeb-Revo) en Champagne

24.10.2018
Au droit du plateau de Champagne, les villes sont entièrement bâties sur un substrat crayeux. Les villes de Reims et Châlons-en-Champagne, notamment, de par leur position géographique et leur contexte historique sont des villes actives depuis l’époque romaine, ce qui leur confère une richesse historique remarquable. Ces contextes géographique, géologique et historique ont amené les hommes à creuser des cavités de tout type et pour de nombreux usages dans la craie sous-jacente.

L’extension et la densification urbaine depuis le XXème siècle ont régulièrement amplifié l’exposition des enjeux sur des zones où ont été exploitées les crayères jusqu’au XIXème siècle. Les édifices souterrains au droit des zones urbanisées sont par ailleurs fragilisés par l’altération de la craie induite par des modifications des écoulements d’eau souterraine. Ainsi, le risque d’effondrements majeurs est aujourd’hui bien réel pour ces agglomérations.

Conscients du risque lié aux effondrements, les collectivités et les services de l’État ont sollicité le BRGM pour approfondir la connaissance des cavités souterraines dans les zones urbanisées et urbanisables, diagnostiquer les risques induits et proposer des solutions de mise en sécurité.

Exemple de crayères partiellement remblayées identifiées par microgravimétrie et représentées en 3D. © BRGM

Exemple de crayères partiellement remblayées identifiées par microgravimétrie et représentées en 3D. © BRGM

Contexte

En raison du risque d’effondrement dans les agglomérations de Reims et Châlons-en-Champagne, le BRGM a été sollicité par les services de l’État et la collectivité du Grand Reims pour établir une stratégie de gestion des risques naturels, et plus particulièrement des risques liés aux cavités souterraines.

Deux problématiques se posent dans ce secteur :

  • la densité urbaine (bâtiments, caves, parkings souterrains, etc.) impactant fortement les possibilités de recherche de cavités par méthodes géophysiques ;
  • la connaissance lacunaire du nombre de crayères :  plusieurs réseaux peuvent être accolés, sans être connectés, pouvant être à l’origine d’interprétation erronée des données géophysiques, due à « l’omission » de la présence d’un réseau accolé à celui qui a déjà été visité.

Objectif

L’objectif est donc d’approfondir la connaissance en termes de présence de cavités souterraines au droit ou à proximité d’enjeux afin d’analyser leur stabilité et de prévenir le risque induit. L’inventaire historique, basé sur la bibliographie existante, s’avère en effet assez incomplet au regard de phénomènes connus ou de découvertes régulières. La perte de nombreuses archives, occasionnée par les destructions de la ville lors des deux guerres mondiales, en est une cause essentielle.

Pour ce faire, il est nécessaire de définir une méthode permettant de retrouver et caractériser ces cavités souterraines, en prenant en compte les contraintes inhérentes à la présence de nombreux bâtiments, et/ou à la possibilité d’existence de réseaux souterrains accolés, mais non connectés.

Programme des travaux

Il a été choisi de compléter la connaissance lacunaire sur les cavités souterraines par investigations géophysiques. La démarche mise en œuvre doit permettre de faire face aux difficultés générées à la fois par la géométrie des cavités (de plusieurs types, pouvant varier de l’abri militaire souterrain à la crayère de plus de 30 mètres de hauteur de vide) et surtout par la densité urbaine, qui impacte de nombreuses méthodes géophysiques.

En milieu calcaire sans couverture argileuse majeure, la microgravimétrie est fortement recommandée pour la recherche de cavités souterraines. Cependant, cette méthode, qui identifie les anomalies de masse, est particulièrement impactée par la présence de bâtiments, caves, parkings souterrains, etc. Elle est cependant utilisée ici car elle est couplée à l’utilisation de modèles développés dans le but de minimiser l’impact de l’urbanisation. Le levé en 3D haute précision (outil Zeb-Revo) permet aujourd’hui de modéliser finement les bâtiments, et même de réaliser des investigations de recherche de cavités depuis l’intérieur de certains bâtiments.

Exemple de carte d’anomalie microgravimétrique en milieu urbain (réseaux de crayères à Châlons-en-Champagne. © BRGM

Exemple de carte d’anomalie microgravimétrique en milieu urbain (réseaux de crayères à Châlons-en-Champagne. © BRGM

Après identification des cavités, en fonction de leur localisation par rapport aux enjeux (voirie, bâtis), une topographie 3D centimétrique a été réalisée. Il s’agit d’obtenir une mesure très précise de la cavité, ainsi que du raccord « fond/jour » permettant de situer la cavité par rapport aux enjeux et de connaître les épaisseurs de couverture. Le diagnostic de stabilité peut ensuite être réalisé, ce qui permet de définir le risque et de recommander des actions adéquates de mise en sécurité.

Le levé 3D des cavités souterraines permet, par ailleurs, de réaliser une seconde analyse a posteriori des données microgravimétriques acquises. L’effet gravifique des cavités topographiées est recalculé à partir des données 3D, puis soustrait de l’anomalie gravimétrique initiale.

Anomalie résiduelle après modélisation de l’effet gravimétrique des crayères identifiées. © BRGM

Anomalie résiduelle après modélisation de l’effet gravimétrique des crayères identifiées. © BRGM

Si une autre cavité souterraine non identifiée est présente à proximité, alors il restera une anomalie gravimétrique résiduelle, et d’autres recherches devront être entreprises. Le risque de ne pas prendre en compte la présence d’une cavité souterraine oubliée dans les politiques d’aménagement du territoire est ainsi considérablement réduit.

Résultats obtenus

Plusieurs reconnaissances ont été réalisées, principalement en amont de travaux de réaménagement, sur le territoire des agglomérations de Reims et de Châlons-en-Champagne, dans un but de prévention du risque (lors des travaux, puis afin d’assurer la pérennité de l’aménagement). Les campagnes de microgravimétrie ont permis de mettre en évidence de nombreuses cavités souterraines de tout type, de l’ancienne cave mal remblayée aux édifices souterrains sur plusieurs niveaux, issus d’anciens édifices religieux, ou encore aux crayères de plus de 20 mètres de hauteur de vide, situées à quelques mètres sous la surface.

Certaines de ces cavités ont pu être décelées à partir de mesures réalisées dans, ou à proximité directe, de bâtiments imposants.

D’autre cavités ont pu être décelées a posteriori, alors que la visite des cavités identifiées de prime abord laissait penser que l’ensemble des vides à proximité avait été identifié.

Cavité souterraine (crayère partiellement remblayée) retrouvée à l’issue d’investigations microgravimétriques.

Cavité souterraine (crayère partiellement remblayée) retrouvée à l’issue d’investigations microgravimétriques.

Ces travaux permettent une connaissance fine et quasi exhaustive du risque lié à la présence de cavités souterraines. Ils apportent ainsi aux services de l’État et à la collectivité les éléments techniques nécessaires à l’élaboration et la mise en œuvre d’une stratégie de gestion du risque d’effondrement, permettant d’une part, de prévenir le risque à l’occasion des travaux d’aménagement et, lorsque nécessaire, de mettre en sécurité les personnes et les biens, et d’autre part, de traiter les effondrements de manière rationnelle et en réduisant le risque « d’omettre » des vides résiduels à proximité de vides connus.

Partenaires

Grand Reims, Agglomération de Châlons-en-Champagne et DDT de la Marne

BRGM - 3 avenue Claude-Guillemin - BP 36009 45060 Orléans Cedex 2 - France Tél. : +33 (0)2 38 64 34 34