Méthodologie intégrée de microgravimétrie en milieu urbain : test d'application au génie civil sur le métro M2 de Lausanne

RESUME Dès le printemps 2004, la construction d'une 2ème ligne de métro est entreprise dans la ville de Lausanne en Suisse. En reliant Ouchy, au bord du lac Léman (alt. 373 m) à Epalinges (alt. 711 m), le nouveau métro "M2" traversera dès 2008 l'agglomération lausannoise du Sud au Nord sur une distance de 6 km. Depuis l'avant-projet, en 1999, une grande quantité de données géologiques a été récolté et de nombreux forages exécutés sur le site. Ceci nous a donné une occasion unique d'entreprendre une étude de microgravimétrique urbaine de détail. Le mode de creusement du tunnel dépend fortement des matériaux à excaver et il est classiquement du domaine du géologue, avec ses connaissances de la géologie régionale et de la stratigraphie des forages, de fournir à l'ingénieur un modèle géologique. Ce modèle indiquera dans ce cas l'épaisseur des terrains meubles qui recouvrent le soubassement rocheux. La représentativité spatiale d'une information très localisée, comme celle d'un forage, est d'autant plus compliquée que le détail recherché est petit. C'est à ce moment là que la prospection géophysique, plus spécialement gravimétrique, peut apporter des informations complémentaires déterminantes pour régionaliser les données ponctuelles des forages. La microgravimétrie en milieu urbain implique de corriger avec soin les perturbations gravifiques sur la mesure de la pesanteur dues aux effets de la topographie, des bâtiments et des caves afin d'isoler l'effet gravifique dû exclusivement à l'épaisseur du remplissage des terrains meubles. Tenant compte de l'intensité des corrections topographiques en milieu urbain, nous avons donné une grande importance aux sous-sols, leurs effets gravifiques pouvant atteindre l'ordre du dixième de mGal. Nous avons donc intégré ces corrections celle de topographie et traité les effets des bâtiments de manière indépendante. Nous avons inclus dans le modèle numérique de terrain (MNT) la chaussée et les sous-sols afin de construire un modèle numérique de terrain urbain. Nous utiliserons un nouvel acronyme « MNTU »pour décrire ce modèle. Nous proposons d'établir des cartes de corrections topographiques préalables, basées sur les données à disposition fournies par le cadastre en faisant des hypothèses sur la profondeur des sous-sols et la hauteur des bâtiments. Les deux zones de test choisies sont caractéristiques des différents types d'urbanisation présente à Lausanne et se révèlent par conséquent très intéressantes pour élaborer une méthodologie globale de la microgravimétrie urbaine. Le but était d'évaluer l'épaisseur du remplissage morainique sur un fond rocheux molassique se situant à une profondeur variable de quelques mètres à une trentaine de mètres et d'en établir une coupe dans l'axe du futur tracé du métro. Les résultats des modélisations se sont révélés très convaincants en détectant des zones qui diffèrent sensiblement du modèle géologique d'avant projet. Nous avons également démontré que l'application de cette méthode géophysique, non destructive, est à même de limiter le nombre de sondages mécaniques lors de l'avant-projet et du projet définitif, ce qui peut limiter à la fois les coûts et le dérangement engendré par ces travaux de surface. L'adaptabilité de la technique gravimétrique permet d'intervenir dans toutes les différentes phases d'un projet de génie civil comme celui de la construction d'un métro en souterrain. KURZFASSUNG Seit dem Frühling 2004 ist in der Stadt Lausanne (Schweiz) die neue U-Bahn "M2" in Konstruktion. Diese soll auf 6 km Länge die Lausanner Agglomeration von Süd nach Nord durchqueren. Die dem Projekt zu Grunde liegende technische Planung sieht vor, daß die Bahnlinie hauptsächlich in der Molasse angesiedelt sein wird. Seit dem Vorentwurf (1999) ist eine große Anzahl geologischer Angaben gesammelt worden. Daraus ergab sich die einmalige Gelegenheit, die Informationen aus den damit verbundenen zahlreichen Bohrungen zu einer detaillierten mikrogravimetrischen Studie der Stadt Lausanne zu erweitern und zu vervollständigen. Das Ziel bestand darin, die Mächtigkeit der die Molasseüberdeckenden Moräneablagerung abzuschätzen, um eine entsprechendes geologisches Profile entlang der künftigen Bahnlinie zu erstellen. Weiterhin sollte gezeigt werden, daß die Anwendung dieser nicht-invasiven geophysikalischen Methode es ermöglicht, die Anzahl der benötigten Bohrungen sowohl in der Pilotphase wie auch im endgültigen Projekt zu reduzieren, was zu wesentlichen finanziellen Einsparungen in der Ausführung des Werkes beitragen würde. Die beiden in dieser Studie bearbeiteten Testzonen befinden sich im Nordteil und im Stadtzentrum von Lausanne und sind durch eine unterschiedliche Urbanisierung charakterisiert. Das anstehende Gestein liegt in verschiedenen Tiefen: von einigen Metern bis zu etwa dreißig Metern. Diese Zonen weisen alle Schwierigkeiten einer urbanen Bebauung mit hoher Verkehrsdichte auf und waren daher massgebend bei der Ausarbeitung einer globalen mikrogravimetrischen Methodologie für die Stadt Lausanne. Die so entwickelte Technik ermöglicht, die störenden Auswirkungen der Topographie, der Gebäude, der Keller und der Öffentlichen Infrastrukturen sorgfältig zu korrigieren, um so die ausschließlich auf die Mächtigkeit des Lockergesteins zurückzuführenden Effekte zu isolieren. In Bezug auf die Intensität der Auswirkungen der topographischen Korrekturen im Stadtgebiet wurde den Untergeschossen eine besonders grosse Bedeutung zugemessen da die entsprechenden Schwerkrafteffekte eine Grösse von rund einem Zehntel mGal erreichen können. Wir schlagen deshalb vor, vorläufige Karten der topographischen Korrekturen zu erstellen. Diese Korrekturen basieren auf den uns vom Katasterplan gelieferten Daten und einigen Hypothesen bezüglich der Tiefe der Untergeschosse und der Höhe der Gebäude. Die Verfügbarkeit einer derartigen Karte vor der eigentlichen gravimetrischen Messkampagne würde uns erlauben, die Position der Meßstationen besser zu wählen. Wir sahen zudem, daß ein entsprechenden a priori Filter benutzt werden kann, wenn die Form und die Intensität der Anomalie offensichtlich dem entsprechenden Gebäude zugeordnet werden können. Diese Strategie muß jedoch mit Vorsicht angewandt werden, denn falls weitere Anomalien dazukommen, können bedeutende Verschiebungen durch Übèrlagerungen der Schwerewirkung verschiedener Strukturen entstehen. Die Ergebnisse der Modellierung haben sich als sehr überzeugend erwiesen, da sie im Voraus unbekannte sensible Zonen korrekt identifiziert haben. Die Anwendbarkeit der in dieser Arbeit entwickelten gravimetrischen Technik ermöglicht es, während allen Phasen eines Grossbauprojekts, wie zum Beispiel bei der Konstruktion einer unterirdischen U-Bahn, einzugreifen. ABSTRACT Since Spring of 2004 a new metro line has been under construction in the city of Lausanne in Switzerland. The new line, the M2, will be 6 km long and will traverse the city from south to north. The civil engineering project determined that the line would be located primarily in the Molasse. Since the preparatory project in 1999, a great quantity of geological data has been collected, and the many drillings made on the site have proved to be a unique opportunity to undertake a study of urban microgravimetry. The goal was to evaluate the thickness of the morainic filling over the molassic bedrock, and to establish a section along the axis of the future line. It then had to be shown that the application of this nondestructive geophysical method could reduce the number of mechanical surveys required both for a preparatory and a definitive project, which would lead to real savings in the realization of a civil engineering project. The two test zones chosen, one in the northern part of the city and one in the city centre, are characterised by various types of urbanisation. Bedrock is at a depth varying from a few metres to about thirty metres. These zones well exemplify the various difficulties encountered in an urban environment and are therefore very interesting for the development of an overall methodology of urban microgravimetry. Microgravimetry in an urban environment requires careful corrections for gravific disturbances due to the effects of topography, buildings, cellars, and the infrastructure of distribution networks, in order to isolate the gravific effect due exclusively to the thickness of loose soil filling. Bearing in mind the intensity of the topographic corrections in an urban environment, we gave particular importance to basements. Their gravific effects can reach the order of one tenth of one meal, and can influence above all the precision of the Bouguer anomaly. We propose to establish preliminary topographic correction charts based on data provided to us by the land register, by making assumptions on the depths of basements and the heights of buildings. Availability of this chart previous to a gravimetry campaign would enable us to choose optimum measuring sites. We have also seen that an a priori filter can be used when the form and the intensity of the anomaly correspond visually to the corresponding building. This strategy must be used with caution because if other anomalies are to be associated, important shifts can be generated by the superposition of the effects of different structures. The results of the model have proved to be very convincing in detecting previously unknown sensitive zones. The adaptability of the gravimetry technique allows for application in all phases of a civil engineering project such as the construction of an underground metro line. RIASSUNTO Dalla primavera 2004 una nuova linea metropolitana é in costruzione nella città di Losanna in Svizzera. La nuova metropolitana "M2" traverserà per la lunghezza di 6 km il centro urbano di Losanna da sud a nord. II progetto d'ingegneria civile prevedeva un tracciato situato essenzialmente nel fondo roccioso arenaceo terziario (molassa). Dalla redazione del progetto preliminare, avvenuta nel 1999, una grande quantità di dati geologici sono stati raccolti e sono stati eseguiti numerosi sondaggi. Questo sì é presentato come un'occasione unica per mettere a punto uno studio microgravimetrico in ambiente urbano con lo scopo di valutare lo spessore dei terreni sciolti di origine glaciale che ricoprono il fondo roccioso di molassa e di mettere in evidenza come l'applicazione di questo metodo geofisico non distruttivo possa limitare il numero di sondaggi meccanici nella fase di progetto preliminare ed esecutivo con conseguente reale risparmio economico nella realizzazione di una tale opera. Le due zone di test sono situate una nella zona nord e la seconda nel centro storico di Losanna e sono caratterizzate da stili architettonici differenti. II fondo roccioso é situato ad una profondità variabile da qualche metro ad una trentina. Queste due zone sembrano ben rappresentare tutte le difficoltà di un ambiente urbano e ben si prestano per elaborare una metodologia globale per la microgravimetria in ambiente urbano. L'applicazione di questa tecnica nell'ambiente suddetto implica la correzione attenta delle perturbazioni sulla misura dell'accelerazione gravitazionale, causate dalla topografia, gli edifici, le cantine e le infrastrutture dei sottoservizi, per ben isolare il segnale esclusivamente causato dallo spessore dei terreni sciolti. Tenuto conto, dell'intensità delle correzioni topografiche, abbiamo dato grande importanza alle cantine, poiché il loro effetto sulle misure può raggiungere il decimo di mGal. Proponiamo quindi di redigere una carta delle correzioni topografiche preliminare all'acquisizione, facendo delle ipotesi sulla profondità delle cantine e sull'altezza degli edifici, sulla base delle planimetrie catastali. L'analisi di questa carta permetterà di scegliere le posizioni più adatte per le stazioni gravimetriche. Abbiamo anche osservato che un filtro a priori, qualora la forma e l'intensità dell'anomalia fosse facilmente riconducibile in maniera visuale ad un edificio, possa essere efficace. Tuttavia questa strategia deve essere utilizzata con precauzione, poiché può introdurre uno scarto, qualora più anomalie, dovute a differenti strutture, si sovrappongano. I risultati delle modellizzazioni si sono rivelati convincenti, evidenziando zone sensibili non conosciute preventivamente. L'adattabilità della tecnica gravimetrica ha mostrato di poter intervenire in differenti fasi di un progetto di ingegneria civile, quale è quella di un'opera in sotterraneo.

Développement d'une méthode microgravimétrique urbaine : intégration dans un SIG et application au projet du M2 lausannois

Résumé La réalisation d'une seconde ligne de métro (M2) dès 2004, passant dans le centre ville de Lausanne, a été l'opportunité de développer une méthodologie concernant des campagnes microgravimétriques dans un environnement urbain perturbé. Les corrections topographiques prennent une dimension particulière dans un tel milieu, car de nombreux objets non géologiques d'origine anthropogénique comme toutes sortes de sous-sols vides viennent perturber les mesures gravimétriques. Les études de génie civil d'avant projet de ce métro nous ont fournis une quantité importante d'informations cadastrales, notamment sur les contours des bâtiments, sur la position prévue du tube du M2, sur des profondeurs de sous-sol au voisinage du tube, mais aussi sur la géologie rencontré le long du corridor du M2 (issue des données lithologiques de forages géotechniques). La planimétrie des sous-sols a été traitée à l'aide des contours des bâtiments dans un SIG (Système d'Information Géographique), alors qu'une enquête de voisinage fut nécessaire pour mesurer la hauteur des sous-sols. Il a été alors possible, à partir d'un MNT (Modèle Numérique de Terrain) existant sur une grille au mètre, de mettre à jour celui ci avec les vides que représentent ces sous-sols. Les cycles de mesures gravimétriques ont été traités dans des bases de données Ac¬cess, pour permettre un plus grand contrôle des données, une plus grande rapidité de traitement, et une correction de relief rétroactive plus facile, notamment lorsque des mises à jour de la topographie ont lieu durant les travaux. Le quartier Caroline (entre le pont Bessières et la place de l'Ours) a été choisi comme zone d'étude. Le choix s'est porté sur ce quartier du fait que, durant ce travail de thèse, nous avions chronologiquement les phases pré et post creusement du tunnel du M2. Cela nous a permis d'effectuer deux campagnes gravimétriques (avant le creu¬sement durant l'été 2005 et après le creusement durant l'été 2007). Ces réitérations nous ont permis de tester notre modélisation du tunnel. En effet, en comparant les mesures des deux campagnes et la réponse gravifique du modèle du tube discrétisé en prismes rectangulaires, nous avons pu valider notre méthode de modélisation. La modélisation que nous avons développée nous permet de construire avec détail la forme de l'objet considéré avec la possibilité de recouper plusieurs fois des interfaces de terrains géologiques et la surface topographique. Ce type de modélisation peut s'appliquer à toutes constructions anthropogéniques de formes linéaires. Abstract The realization of a second underground (M2) in 2004, in downtown Lausanne, was the opportunity to develop a methodology of microgravity in urban environment. Terrain corrections take on special meaning in such environment. Many non-geologic anthropogenic objects like basements act as perturbation of gravity measurements. Civil engineering provided a large amount of cadastral informations, including out¬lines of buildings, M2 tube position, depths of some basements in the vicinity of the M2 corridor, and also on the geology encountered along the M2 corridor (from the lithological data from boreholes). Geometry of basements was deduced from building outlines in a GIS (Geographic Information System). Field investigation was carried out to measure or estimate heights of basements. A DEM (Digital Elevation Model) of the city of Lausanne is updated from voids of basements. Gravity cycles have been processed in Access database, to enable greater control of data, enhance speed processing, and retroactive terrain correction easier, when update of topographic surface are available. Caroline area (between the bridge Saint-Martin and Place de l'Ours) was chosen as the study area. This area was in particular interest because it was before and after digging in this thesis. This allowed us to conduct two gravity surveys (before excavation during summer 2005 and after excavation during summer 2007). These re-occupations enable us to test our modélisation of the tube. Actually, by comparing the difference of measurements between the both surveys and the gravity response of our model (by rectangular prisms), we were able to validate our modeling. The modeling method we developed allows us to construct detailed shape of an object with possibility to cross land geological interfaces and surface topography. This type of modélisation can be applied to all anthropogenic structures.

Geological structure, recharge processes and underground drainage of a glacierised karst aquifer system, Tsanfleuron-Sanetsch, Swiss Alps

The relationships between stratigraphic and tectonic setting, recharge processes and underground drainage of the glacierised karst aquifer system `Tsanfleuron-Sanetsch' in the Swiss Alps have been studied by means of various methods, particularly tracer tests (19 injections). The area belongs to the Helvetic nappes and consists of Jurassic to Palaeogene sedimentary rocks. Strata are folded and form a regional anticlinorium. Cretaceous Urgonian limestone constitutes the main karst aquifer, overlain by a retreating glacier in its upper part. Polished limestone surfaces are exposed between the glacier front and the end moraine of 1855/1860 (Little Ice Age); typical alpine karrenfields can be observed further below. Results show that (1) large parts of the area are drained by the Glarey spring, which is used as a drinking water source, while marginal parts belong to the catchments of other springs; (2) groundwater flow towards the Glarey spring occurs in the main aquifer, parallel to stratification, while flow towards another spring crosses the entire stratigraphic sequence, consisting of about 800 m of marl and limestone, along deep faults that were probably enlarged by mass movements; (3) the variability of glacial meltwater production influences the shape of the tracer breakthrough curves and, consequently, flow and transport in the aquifer.

Chronic obstructive pulmonary disease in never-smoking animal farmers working inside confinement buildings

BACKGROUND: In animal farming, respiratory disease has been associated with indoor air contaminants and an excess in FEV1 decline. Our aim was to determine the characteristics and risk factors for chronic obstructive pulmonary disease (COPD) in never-smoking European farmers working inside animal confinement buildings. METHODS: A sample of participants in the European Farmers' Study was selected for a cross-sectional study assessing lung function and air contaminants. Dose-response relationships were assessed using logistic regression models. RESULTS: COPD was found in 18 of 105 farmers (45.1 SD 11.7 years) (17.1%); 8 cases (7.6%) with moderate and 3 cases (2.9%) with severe disease. Dust and endotoxin showed a dose-response relationship with COPD, with the highest prevalence of COPD in subjects with high dust (low=7.9%/high=31.6%) and endotoxin exposure (low=10.5%/high=20.0%). This association was statistically significant for dust in the multivariate analysis (OR 6.60, 95% CI 1.10-39.54). CONCLUSION: COPD in never-smoking animal farmers working inside confinement buildings is related to indoor dust exposure and may become severe. [Authors]

Major mite allergen Der f 1 concentration is reduced in buildings with improved energy performance.

BACKGROUND: Environmental conditions play a crucial role in mite growth, and optimal environmental control is key in the prevention of airway inflammation in chronic allergic rhinoconjunctivitis or asthma. OBJECTIVE: To evaluate the relationship between building energy performance and indoor mite allergen concentration in a cross-sectional study. METHODS: Major allergen concentration (Der f 1, Der p 1, mite group 2, Fel d 1 and Bla g 2) was determined by quantitative dot blot analysis from mattress and carpet dust samples in five buildings designed for low energy use (LEB) and in six control buildings (CB). Inhabitants had received 4 weeks prior to mite measurement a personal validated questionnaire related to the perceived state of health and comfort of living. RESULTS: Cumulative mite allergen concentration (with Der f 1 as the major contributor) was significantly lower in LEB as compared with CB both in mattresses and in carpets. In contrast, the two categories of buildings did not differ in Bla g 2 and Fel d 1 concentration, in the amount of dust and airborne mould collected. Whereas temperature was higher in LEB, relative humidity was significantly lower than in CB. Perceived overall comfort was better in LEB. CONCLUSIONS: Major mite allergen Der f 1 preferentially accumulates in buildings not specifically designed for low energy use, reaching levels at risk for sensitization. We hypothesize that controlled mechanical ventilation present in all audited LEB may favour lower air humidity and hence lower mite growth and allergen concentration, while preserving optimal perceived comfort.

Decompression scenarios in a new underground transportation system

BACKGROUND: The risks of a public exposure to a sudden decompression, until now, have been related to civil aviation and, at a lesser extent, to diving activities. However, engineers are currently planning the use of low pressure environments for underground transportation. This method has been proposed for the future Swissmetro, a high-speed underground train designed for inter-urban linking in Switzerland. HYPOTHESIS: The use of a low pressure environment in an underground public transportation system must be considered carefully regarding the decompression risks. Indeed, due to the enclosed environment, both decompression kinetics and safety measures may differ from aviation decompression cases. METHOD: A theoretical study of decompression risks has been conducted at an early stage of the Swissmetro project. A three-compartment theoretical model, based on the physics of fluids, has been implemented with flow processing software (Ithink 5.0). Simulations have been conducted in order to analyze "decompression scenarios" for a wide range of parameters, relevant in the context of the Swissmetro main study. RESULTS: Simulation results cover a wide range from slow to explosive decompression, depending on the simulation parameters. Not surprisingly, the leaking orifice area has a tremendous impact on barotraumatic effects, while the tunnel pressure may significantly affect both hypoxic and barotraumatic effects. Calculations have also shown that reducing the free space around the vehicle may mitigate significantly an accidental decompression. CONCLUSION: Numeric simulations are relevant to assess decompression risks in the future Swissmetro system. The decompression model has proven to be useful in assisting both design choices and safety management.