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Evaluation des problèmes liés au karst lors du percement de la galerie de sécurité du tunnel de Gléresse ( BE, Suisse )

Evaluation der Probleme, welche beim Bau des Sicherheitsstollens für den Ligerzer Tunnels (BE, Schweiz) auftraten

Pierre-Yves Jeannin, Arnauld Malard, Eric Weber*

Übersetzung : Andres Wildberger

Introduction

Le percement de tunnels en région karstique pose généralement deux types de problèmes : un impact sur les eaux souterraines et un risque pour le chantier ( et les ouvriers qui y travaillent ) ou même pour l’ouvrage ( risque d’endommagement ou de destruction ). Les exemples de cas problématiques sont assez nombreux en Suisse, induisant des coûts importants et des impacts parfois peu réversibles ( cf. exemple de Flims, Jeannin et al. 2009 ).

Le tunnel de Gléresse ( Ligerztunnel ), percé à la fin des années 1980 fait partie de ces exemples. Il traverse le massif une centaine de mètres en amont de la source de Brunnmühle (Br.), qui alimente en eau potable les com-munes de Douanne et Gléresse ( env. 1500 pers. ). Si dans le tunnel lui-même les quantités d’eau drainées étaient mo-destes, elles furent considérables dans une galerie latérale ( S-Stollen ) où le débit intercepté peut dépasser 2000 l/s. L’eau a été déviée par deux galeries : l’une débouche dans les gorges de Douanne ( F-Stollen ), l’autre à proximité immédiate de la source de Brunnmühle ( D-Stollen ) ( Bollin-ger & Kellerhals 2007 ). Ces travaux ont considérablement modifié la dynamique de l’aquifère karstique, changeant le régime de la source pérenne de Brunnmühle, ainsi que le fonctionnement des sources de Sauser ( Sr ) et des exutoires de crue situés environ 40 mètres plus haut (sources de débordement du Wasserhooliloch ( Ws ), de Gischeren ( Gs ) et de Schüttstein ( Scht ) ).

* Institut suisse de spéléologie et de karstologie CH-2301 La Chaux-de-Fonds

Einführung

Beim Tunnelbau in Karstgebieten stellen sich im All-gemeinen zwei Problemkreise: Eine Beeinflussung der Gebirgswassserverhältnisse sowie eine Gefährdung der Baustelle respektive der Bauarbeiter oder sogar des Bau-werks (Risiko von Teil- oder Totalschäden). Beispiele für solche Problemen sind in der Schweiz gut bekannt, sie füh-ren zu grossen Mehrkosten und beeinflussen das weitere Vorgehen (Beispiel Umfahrung Flims, Jeannin et al, 2009).

Der Ligerzer-Tunnel, gebaut Ende der 1980er-Jahre, gehört auch zu diesen Problemfällen. Das Bauwerk quert das Juragebirge rund 100 m bergseitig der Brunnmüh-le-Quelle, welche die Gemeinden Twann und Ligerz (ca. 1500 Personen) mit Trinkwasser versorgt. Obschon im Tunnel selbst der Wasserzufluss recht bescheiden war, erreichte der Wasserzutritt in einem seitlichen Stollen (S-Stollen) temporär Mengen über 2000 l/s. Dieses Wasser wurde durch zwei Stollen abgeleitet: Einer mündete in der Twannbachschlucht (F-Stollen), der andere im unmit-telbaren Nahbereich der Brunnmühle-Quelle (D-Stollen) (Bollinger & Kellerhals 2007). Die Bauarbeiten veränderten die Dynamik des Karst-Aquifers: einerseits das perrenie-rende Regime der Brunnmühlequelle wie auch die Funk-tionsweise der Sauser-Quelle (Sr), ebenso die 40m höher gelegenen Hochwasseraustritte in der Twannbachschlucht (Wasserhooliloch), Gischeren (Gs) und Schüttstein (Scht).

2013 lancierte das Bundesamt für Strassenbau (ASTRA) den Durchstich des Sicherheitsstollens (SISTO). Von den laufenden Arbeiten im Tunnel profitierend, zog es die Verlängerung des Tunnels in Betracht (Tw-Tunnel), um das Dorf Twann zu umfahren. Dabei wurde ein zum lateralen Stollen paralleles Stollentrasse gewählt. Diese Projekte warfen die Frage auf, ob nicht weitere Tunnelbauprobleme auftreten könnten, weshalb das SISKA einerseits eine

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En 2013, l’Office fédéral des routes ( OFROU ) a lancé le percement de la galerie de sécurité à côté du tunnel existant ( Sisto ). Profitant des études en cours, il envisage de prolonger le tunnel ( Tw-Tunnel ) pour éviter le village de Douanne en empruntant un tracé parallèle à la galerie latérale. Ces projets ont donc soulevé la question de nouvelles perturbations et l’ISSKA a été sollicité pour donner un avis sur les risques de ces percements d’une part pour la source de Brunnmühle, d’autre part pour les conditions de travail dans le tunnel.

Cet article résume les éléments principaux de cette évaluation en mettant davantage l’accent sur les approches utilisées que sur le détail des résultats.

Situation et contexteLa source de Brunnmühle est située au pied du Jura,

le long du lac de Bienne ( Fig. 1 et 2 ). Elle émerge des calcaires du Malm ( Jurassique supérieur ). Le flanc sud-est du Jura, fortement incliné vers le lac, est constitué d’une série stratigraphique formée principalement des calcaires du Malm, posés sur les marnes oxfordiennes ( aquiclude

Figure 1. Localisation des principaux tunnels et galeries, des principales sources permanentes et sources de trop-plein de la région de Gléresse – Douanne. Le tunnel de Ligerz et les S-, F- et D-Stollen ( galeries )existent depuis le début des années 90 ; la galerie de sécurité ( Sisto ) a été percée entre 2014 et 2015 ; le prolongement du tunnel de Douanne ( Tw-Tunnel ) est prévu pour le futur.

Figur 1. Lokalisation der wichtigsten Tunnels und Stollen, der wichtigsten Quellen der Region (perennierend und temporär in der Region Ligerz - Twann). Der Ligerztunnel und die S-, F- und D-Stollen existieren seit Beginn der 1990-er Jahre, der Sicherheits stollen (SISTO) ist 2014 und 2015 entstanden. Die Verlängerung des Tunnels Twann (Tw-Tunnel) ist für die Zukunft geplant.

Figure 2. Profil schématique de la région des sources de Brunnmühle. La série calcaire plonge vers le lac en direction du sud-est. La source émerge au contact entre le sommet de l’aquifère et les marnes du Purbeckien. Le tunnel de Ligerz et le Sisto se développent quelques mètres au-dessus de la source.

Figur 2. Schematisches Profil der Gegend Brunnmühle. Die Kalkserie fällt in SE- Richtung zum See hin. Die Quelle tritt am Kontakt zwischen dem Dach des Aquifers und den Purbeckien-Mergeln zu Tage. Der Ligerzertunnel und der Sisto liegen wenig oberhalb dem Quellniveau.

Risikoanalyse betreffend die Brunnmühlequelle verfassen konnte und andererseits betreffend die Arbeitsbedin-gungen im Tunnel.

Der vorliegende Artikel fasst die wichtigsten Elemente der Studie zusammen, wobei der Schwerpunkt auf die verwendeten Methoden fokussiert ist und weniger auf die Detailresultate.

Situation und ZusammenhängeDie Brunnmühle-Quelle liegt am Jura-Südfuss am

Bielersee (Figur 1 und 2). Die Quelle entspringt den Malm-Kalken (Oberer Jura). Die Südostflanke ist steil gegen den See hin geneigt und besteht aus einer Serie von Malm-Kalken über Oxfordien-Mergeln (regionaler Aquiklude) und lokal wechselnd überlagert von Mergeln und Kalken der Kreide. Der Tunnel verläuft ungefähr entlang den Schichten (NE-SW). Die Brunnmühle- Quelle entspringt auf 433 m, wenige Meter über dem Ufer des Bielersees im Dach der Malm-Kalke. Mehrere Temporärquellen treten in der Twannbachschlucht zu Tage.

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régional ) et surmontés localement d’une alternance de marnes et calcaires du Crétacé. Le tunnel se développe approximativement selon la direction du pendage des couches ( NE-SO ). La source de Brunnmühle émerge à 433 m, quelques mètres au-dessus du lac de Bienne, au sommet des calcaires du Malm. Plusieurs sources tempo-raires émergent dans les gorges de Douanne.

La figure 2 montre que la source de Brunnmühle est située au contact entre les calcaires du Malm ( Portlandien ) et les marnes du Purbeckien qui forment un aquiclude plus ou moins étanche entre l’aquifère du Malm et le lac. L’aquifère est ainsi composé d’une série calcaire de plus de 500 m d’épaisseur ( calcaires du Séquanien, Kimméridgien et Portlandien ). Tous les tunnels construits ou en projet se trouvent dans cette série calcaire, légèrement au-dessus du niveau du lac.

Les sources de Wasserhooliloch, Gischerenet Schüttstein sont des grottes temporairement actives, qui peuvent déverser plusieurs m3/s en crue ( jusqu’à 10 m3/s pour les trois exutoires, cf. Kellerhals & Haefeli 1988 ). Leurs entrées sont situées presque au même niveau, soit environ 44 mètres au-dessus de la source de Brunnmühle. Cette différence d’altitude correspond à la mise en charge du système pendant les crues.

Approche appliquée pour évaluer le karst

Afin d’appréhender au mieux les éventuels problèmes karstiques lors du percement du Sisto, nous avons utili-sé les informations spatiales et temporelles disponibles. Nous avons d’abord appliqué l’approche KARSYS ( Jeannin et al. 2013 ) afin de bien comprendre comment les eaux alimentent les sources de Brunnmühle et les exutoires de trop-plein ( bassin d’alimentation, esquisse des axes de drainage principaux ). Nous avons ensuite appliqué la mé-thode KarstALEA ( Filipponi et al. 2012 ) pour évaluer où les conduits alimentant les sources ont le plus de probabilité de se développer et d’être recoupés par la galerie. Nous avons ensuite utilisé un modèle d’écoulement dans un réseau de conduits ( SWMM 5.0 ) pour calculer les charges et les débits qui doivent circuler dans le réseau karstique à proximité des sources et des ouvrages existants. Nous avons ainsi pu reproduire les charges et les débits mesurés aux différents exutoires, et estimer les charges et débit potentiellement rencontrés dans les conduits que les galeries artificielles pourraient recouper.

De manière plus détaillée, les travaux suivants ont été effectués :1) Application de l’approche KARSYS : définition des

formations considérées comme aquifères, respectivement aquicludes, et construction d’un modèle géologique de la région ( résolution 25 m ). Intégration de principes hydrologiques et hydrauliques dans le modèle géologique, permettant d’estimer l’extension des zones noyées de l’aquifère, du bassin d’alimentation du système et des principaux axes d’écoulement.

2) Application de la méthode KarstALEA : estimation d’un modèle spéléogénétique de la région et des principaux horizons d’inception à partir de toutes les données disponibles ( grottes, forages, affleurements, travaux géologiques antérieurs ).

Die Figur 2 zeigt, dass die Brunnmühle-Quelle am Kontakt der Malm-Kalke (Portlandien) mit den Mergeln des Purbeckien liegt. Das Purbeckien bildet einen mehr oder weniger dichten Aquikluden (Stauer) zwischen dem Malm-Aquifer und dem See. Der Aquifer wird durch eine mehr als 500 m mächtige Serie von Kalken gebildet (Kalke des Sequanien, des Kimmerigien und des Portlandien). Alle bereits gebauten und geplanten Tunnels befinden sich in dieser Kalkserie wenig über dem Seeniveau.

Die Quellen Wasserhooliloch, Gischeren und Schütt-stein sind temporär aktive Höhlen, welche bei Hochwasser mehrere m3/s schütten können (bis 10m3/s für die drei Quellhöhlen, siehe Kellerhals und Häfeli 1988). Die Höhlen-eingänge liegen praktisch auf gleicher Höhe (d.h. ca 44 m über der Brunnmühle-Quelle). Dieser Höhenunterschied entspricht dem Druckniveau während den Hochwässern.

Angewendete Methodik zur Charakterisierung des Karst

Um karstbedingten Problemen beim Ausbrechen des Sisto möglichst gut begegnen zu können, bedienten wir uns verfügbarer räumlicher und zeitlicher Daten.

Zuerst bildete das Modell KARSYS die Basis (Jeannin et al. 2013), um die Funktionsweise der zuführenden Wasserbahnen des Brunnmühle-Aquifers und dessen Überläufen zu erfassen (Einzugsgebiet, Erfassung der wichtigsten Abflussachsen). Anschliessend haben wir die Methodik KarstALEA (Filliponi et al. 2012) eingesetzt, um die Nährgebiete und die wichtigsten potenziellen Karst-wasserwege einzubeziehen. Dann wurde ein Fliessmodell implementiert (SWMM 5.0), um die Druckverhältnisse im Nahbereich der Quellen und Bauten einzubeziehen. Auf diese Weise liessen sich Druck- und Durchflussverhältnisse im Bereich der Einbauten und der Karstbahnen erfassen und mögliche Eigenschaften rekonstruieren.

Detaillierter sind folgende Arbeiten durchgeführt worden:1) Anwendung des Modellansatzes KARSYS: Definition

der als Aquifer respektive Aquiklude betrachteten For-mationen, Konstruktion eines geologischen Modells der Region (Auflösung in 25 m-Maschen). Einbezug der hydrologischen und hydraulischen Prinzipien im geologischen Modell, was erlaubt, die Ausdehnung der gesättigten Zonen, des Einzuggebietes des Systems und die wichtigsten Karstbahnen einzuschätzen.

2) Anwendung der Methode KarstALEA: Modellierung eines speleogenetischen Modells des Gebietes und der wichtigsten Interzeptions-Horizonte auf der Basis aller bekannten Daten (Höhlen, Bohrungen, Aufschlüsse, ältere geologische Arbeiten).

3) Konstruktion eines hydrologischen und hydraulischen Modells der Karstbahnen im Abflussbereich (Wasser-austritte und von den Tunnelbauten betroffenen Regionen). Dieses Modell umfasst alle verfügbaren hydrologischen und hydrometrischen Daten (Lage und Abfluss, Einzugsgebiet, Messung der Druckverhältnisse in benachbarten Bohrungen und Höhlen, künstliche Störungen, diverse hydraulische Versuche, Ableitungen aus dem speleologischen Modell).

4) Wenn das Modell einmal geeicht ist, ist es möglich, den Abfluss der wichtigsten Wasseraustritte

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3) Construction d’un modèle hydrologique et hydraulique des conduits karstiques de la zone aval du système ( exutoires et région concernée par les tunnels ). Ce modèle inclut toutes les données hydrologiques et hydro-métriques disponibles ( position et débit des exutoires, bassin d’alimentation, mesures de charges hydrauliques dans les grottes et forages alentours, perturbations artificielles, essais hydrauliques divers, éléments issus du modèle spéléogénétique ).

4) Une fois le modèle calé, il est possible de reproduire le débit des principaux exutoires et d’estimer les charges correspondantes au niveau des ouvrages. Différents scénarii de recoupement de conduits par un ouvrage peuvent alors être évalués pour différentes conditions ( taille du conduit recoupé, distance au conduit principal, charge hydraulique ). Des seuils d’alarme peuvent alors être définis afin d’anticiper les dangers liés au karst ( par exemple, 1 = peu ou pas de problème, 2 = vigilance renforcée, 3 = arrêt des travaux de percement et évacuation des galeries ) mais aussi prévenir les risques de contamination en conditions de basses eaux vers la source de la Brunnmühle.

5) Le modèle permet également d’anticiper les conditions dans l’aquifère karstique en fonction des prévisions météorologiques. Ainsi, il est possible de prévoir quelques heures à quelques jours en avance les conditions critiques, ainsi que leur durée.

RésultatsLa géométrie de l’aquifère du Malm a été modélisée

en 3D en utilisant au mieux toutes les données existantes. La figure 3 montre une représentation de la partie aval de ce modèle.

Les éléments hydrologiques existants ont été intégrés au modèle ( sources, forages, grottes avec plan d’eau, arri-vées d’eau dans les galeries artificielles, pertes potentielles ), ce qui nous a permis de construire une représentation hydrogéologique complète des conditions d’écoulement dans le massif. Le modèle indique clairement que la source de Brunnmühle est située assez exactement au point d’af-fleurement le plus bas de l’aquifère du Malm de toute la région, c’est donc le point de débordement de l’aquifère par-dessus les marnes imperméables du Purbeckien. A partir de l’exutoire, sachant que le calcaire est parcouru de conduits karstiques très perméables, il est possible d’admettre qu’en basses eaux la zone située sous le niveau de l’exutoire est entièrement noyée. Ceci permet de délimiter l’extension minimale de la zone noyée ( vo-lume de l’aquifère situé sous le niveau de l’exutoire ). Ce volume correspond à une bande relativement étroite le long du lac, comme indiqué à la figure 4. Plus en amont, la topographie de la base de l’aquifère ( toit imperméable des marnes argoviennes ) forme une dépression dans le synclinal situé sous le Plateau de Diesse. Les eaux souter-raines doivent donc remplir la dépression et se déverser par deux seuils souterrains, l’un situé sous le village de Lignières, l’autre sous le village de Prêles. Cette configu-ration porte à penser que les eaux se répartissent entre les deux seuils et que la limite du bassin alimentant la source de Brunnmühle passe à travers cet aquifère perché. Dans le détail, le point de déversement de cette nappe

Figure 3. Vue en perspective de la partie aval du modèle géologique le long du lac de Bienne et zoom de la zone des sources de Brunnmühle. Le tunnel de Gléresse et la galerie d’exploration sont représentés en vert. La couche rouge représente le niveau marneux du Purbeckien constituant le mur de l’aquifère.

Figur 3. Perspektivische Sicht des geologischen Modells entlang dem Bielersee und Zoom der Quellzone Brunnmühle. Der Ligerztunnel und der Sondierstollen sind grün eingefärbt. Die rote Schicht stellt die Purbeckien-Mergel dar, diese fungieren als Stauer des Aquifers.

abzubilden und die zugehörigen Druckverhältnisse im Bereich der Bauwerke abzuschätzen. Es können verschiedene Szenarien des Anschneidens von Was-serbahnen unter unterschiedlichen Verhältnissen evaluiert werden (Gangdurchmesser, Distanz zum Hauptgang, Druckverhältnissse). Zudem können, auf diesen Karstdaten basierend, Schwellenwerte festge-legt werden, um allfällige Gefahren vorauszusehen (zum Beispiel, 1 = keine oder wenige Probleme, 2 = erhöhte Wachsamkeit, 3 = Einstellen der Vortriebsar-beiten und Räumung der Stollen). Zusätzlich kann das Risiko einer Kontamination bei Niederwasser im Bereich der Brunnmühle-Quelle minimiert werden.

5) Das Modell erlaubt zudem die Prognose von Hoch-wässern mit Hilfe von meteorologischen Daten. So ist es möglich, Hochwasserereignisse einige Stunden im Voraus zu erfassen und deren Dauer abzuschätzen.

ResultateDie Geometrie des Malm-Aquifers ist in 3D modelliert

worden, unter Einbezug aller verfügbaren Daten. Die Figur 3 zeigt den quellnahen Bereich dieses Modells. Die bekannten hydrologischen Elemente (Quellen, Bohrungen, Höhlen mit Wasserspiegel, Wasserzutritte in künstlichen Stollen, mögliche Wasserverluste) sind im Modell einge-baut worden und erlauben uns, eine vollständige hydro-geologische Darstellung der Fliesseigenschaften im Massiv zu konstruieren. Das Modell zeigt klar, dass die Brunn-mühle-Quelle ziemlich genau beim tiefstgelegenen Punkt des regionalen Malm-Aquifers liegt und demzufolge im Überlaufbereich der undurchlässigen Purbeckien-Mergel liegen. Von der Austrittsstelle her und in Betracht ziehend, dass die Kalke von hochdurchlässigen Wasserbahnen

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Figure 4. Bassin d’alimentation de la source de Brunn mühle obtenu par l’approche KARSYS. Le bassin couvre une surface de 66 km2 mais présente des régions mal déterminées ( zones rouges ) à partir desquelles des diffluences vers des systèmes adjacents sont probables.

Figur 4. Einzugsgebiet der Brunnmühle-Quelle, abgeleitet aus dem KARSYS-Modell. Die Grösse des Einzugsgebiets beträgt 66 km2, es kommen aber schlecht definierte Bereiche vor (rote Flächen), wo Diffluenzen mit benachbarten Gebieten wahrscheinlich sind.

durchzogen sind, kann gezeigt werden, dass die Zone unterhalb des Quellniveaus vollständig gesättigt ist. Dies erlaubt die minimale Ausdehnung der gesättigten Zone zu berechnen (unterhalb den Austrittsstellen gelegenes Volumen des Aquifers). Das Volumen entspricht einem relativ schmalen, entlang dem See verlaufenden Band (siehe Figur 4). Bergwärts dieses Bandes bildet die Topographie der Aquifer-Basis (undurchlässiges Dach der Argovien-Mergel) eine Depression in der Synklinale unter dem Plateau des Tessenbergs (Plateau von Diesse). Die unterirdischen Wässer müssen demzufolge die synklinale Mulde füllen und sich entlang zweier unterirdischer Mul-den (die eine im Bereich des Dorfes Lignères, die andere im Bereich des Dorfes Prêles) entleeren. Diese Konfigu-ration lässt vermuten, dass sich die Wässer zwischen beiden Schwellen verteilen und dass das Einzugsgebiet der Brunnmühle-Quelle lokal ein hängendes Becken (Aqui-fer perché) bildet. Im Detail ist die Lage der Überläufe von einem zum andern Becken und in Richtung Twann nicht bekannt, da zwei Einsattelungen mit sehr ähnlicher Höhe existieren, eine unter dem Dorf Prêles (Entwässe-r ung längs dem See zur Brunnmühle), die andere unter der Twannbachschlucht). Es ist auch denkbar, dass die beiden Schwellen gleichzeitig von verschiedenen Wasser-zubringern genutzt werden. Ein anderer, kleiner Aquifer könnte sich möglicherweise in der Depression unter den Prés Mailler finden. Die Tiefe dieser Mulde liegt auf je-den Fall in ähnlicher Grössenlage wie die Unsicherheit des geologischen Modells. Die Existenz dieser Senke ist also nur hypothetisch. Das Einzugsgebiet dieser Aquifere kann danach ziemlich einfach eingegrenzt werden; dies unter der Berücksichtigung, dass die infiltrierten Wässer vertikal bis zur Aquiferbasis fliessen, dann dem Dach der Argovienmergel folgen, um schliesslich den Grundwas-serkörper zu erreichen. Von dort aus verläuft das Wasser subhorizontal, bis die Aquiferaustritte erreicht sind. Auf diese Weise ist das Einzugsgebiet der Brunnmühle-Quelle ermittelt worden. In Figur 4 entsprechen die roten Zonen jenen Gebieten, bei denen es schwierig ist zu entschei-den, ob das Wasser Richtung Brunnmühle oder zu einem benachbarten System abfliesst. Es ist im Übrigen möglich, dass sich die Wässer zwischen zwei Quellsystemen auf-teilen (Diffluenz). Daraus lassen sich von jedem Punkt des Aquifers die Hauptabflussachsen skizzieren (gelbe Pfeile = freies Fliessen, blaue Pfeile = Druckfliessen).

Das so gewonnene Bild des Aquifers entspricht den Resultaten des Modells KARSYS.

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en direction de Douanne n’est pas clairement établi, car deux ensellements situés pratiquement à la même altitude semblent exister, l’un sous le village de Prêles, impliquant ensuite un écoulement le long du lac en direc-tion de Brunnmühle, l’autre sous la gorge de Douanne. Il est même envisageable que les deux seuils soient uti-lisés simultanément par les eaux souterraines. Un autre petit aquifère pourrait se trouver dans une dépression située sous les Prés Mailler. La profondeur de cette dépression est toutefois du même ordre de grandeur que l’incertitude du modèle géologique. Son existence n’est donc qu’hypothétique. Le bassin d’alimentation de ces aquifères peut être ensuite assez facilement dé-limité en considérant que l’eau qui s’infiltre dans les calcaires descend verticalement jusqu’à leur base, puis suit le toit des marnes argoviennes jusqu’à atteindre la nappe aquifère. Là, l’eau chemine subhorizontalement en direction de l’exutoire de la nappe. C’est ainsi que le bassin d’alimentation de la source de Brunnmühle a été délimité. A la figure 4, les zones rouges corres-pondent à des régions où il est difficile de décider si les eaux s’écoulent vers la source de Brunnmühle ou vers un système voisin. Il est d’ailleurs possible qu’elles se répartissent entre les deux sources ( diffluence ). On peut dès lors esquisser les axes principaux d’écoulement depuis n’importe quel point du bassin ainsi délimité ( flèches jaunes = écoulements libres, flèches bleues = écoulements noyés ).

L’image ainsi obtenue correspond au résultat de l’approche KARSYS.

A partir du modèle KARSYS, différents indices ont été recherchés pour reconstituer l’histoire spéléogénétique de la région et identifier des horizons d’inception ( Filipponi 2009 ), c’est-à-dire des couches ou zones de fracture parti-culièrement favorables à la karstification le long desquelles les conduits ont une probabilité accrue de se développer. Les détails concernant cette méthode peuvent être lus dans ( Filipponi et al. 2012 ).

La figure 5 : Profil schématique présentant les horizons d’inception ( rouge ) et les niveaux spéléogénétiques ( tiretés bleus ). Ces données proviennent principalement

Figure 5 . Profil sché-matique présentant les horizons d’inception ( rouge ) et les niveaux spéléogénétiques ( tiretés bleus ).

Figur 5. Schematisches Profil mit Inzeptions-horizonten (rot) und den speleogenetischen Niveaus (blau gestrichelt).

Ausgehend vom Modell KARSYS sind diverse Fakten gesammelt worden, um die speleogenetische Geschichte der Region zusammenzustellen und Inzeptions-horizonte zu ermitteln (Filipponi 2009). Inzeptionshorizonte ent-sprechen bevorzugten Wasserbahnen, entlang welchen die Wahrscheinlichkeit von Höhlenbildung erhöht ist. Die Details dieser Methodik sind in Filipponi et al. 2012 näher beschrieben.

Diese Daten stammen hauptsächlich aus der Analyse einiger Höhlen, Bohrungen und Aufschlüsse. Bezogen auf die Speleogenese kann geschlossen werden, dass die Verkarstung entlang dem Bielersee wahrscheinlich durch die eiszeitliche Gletscherpassage beeinflusst wor-den ist. Die Brunnmühle-Quelle ist möglicherweise jung (nacheiszeitlich) und deshalb noch unvollständig mit dem Hauptsystem verbunden. Dies erklärt die starken Anstiege des Gebirgswasserspiegels bei Hochwasser.

Da umfangreiche hydraulischen Daten vorhanden sind (Messungen und Abschätzungen der Abflüsse verschie-dener Wasseraustritte, Bohrungen und Höhlen) und bei Tunnelbauarbeiten der hydraulische Druck und das po-tentielle Anschneiden einer Karstwasserbahn und der daraus resultierenden Wasserabgang eine grosse Rolle spielen, haben wir versucht alle verfügbaren, quellnahen Werte in einem hydraulischen Modell zusammenzutragen (Werte von Interesse für die Tunnel- und Stollenbauten).

Wir haben auf diesen Grundlagen, gestützt auf die Mo-delle KARSYS und KarstALEA, ein Netz von Wasserbahnen konstruiert, welches die hydraulischen Messungen (Druck und Abfluss) berücksichtigt. Für jede Wasserbahn wurde eine Länge (ausgehend vom 3D-Modell) respektive eine Rauigkeit (gemäss Literaturdaten) und ein Durchmesser eingesetzt und kalibriert. Beginnend mit tiefen Wasser-drücken und Verwendung aller verfügbarer Daten ergab sich ein recht komplexes Modell, welches die starken Spiegel schwankungen im Bereich der Hochwasser-Quellen erklären kann (siehe Figur 6). Für die hydraulische Simu-lation verwendeten wir den Code SWMM 5.0 (Rossman 2004).

Die Komplexität beruht darauf, dass die Wasser spiegel – entsprechend der Höhenlage – sukzessive aktiviert

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de l’analyse des quelques grottes existantes, des données de forages et d’affleurement. Concernant la spéléo genèse, on relèvera que la karstification le long du lac de Bienne a dû être influencée par le passage des glaciers quater-naires. L’exutoire de Brunnmühle est probablement jeune ( post-glaciaire ) et encore relativement mal connecté au réseau principal de conduits, ce qui expliquerait la remontée importante des eaux à proximité des exutoires lors des crues.

Comme les données hydrauliques étaient nombreuses ( mesures ou estimation de débits des différents exutoires, mesures de niveau dans les forages et dans les grottes ) et qu’une question importante pour les travaux est la charge hydraulique et le débit potentiellement recoupé en cas de rencontre d’un conduit karstique, nous avons essayé de rassembler toutes les données dans un mo-dèle hydraulique de la zone aval du système ( celle qui intéresse les tunnels ).

Nous avons ainsi construit un réseau de conduits qui tienne compte à la fois du modèle KARSYS, du modèle KarstALEA, et qui respecte les mesures hydrauliques ( charges et débits ). Pour chaque conduit, nous devons définir une longueur ( estimée à partir du modèle 3D ), une rugosité ( admise a priori à partir de mesures tirées de la littérature ) et un diamètre ( utilisé comme paramètre de calibration ). En commençant la simulation par les conditions de basses eaux et en utilisant toutes les données existantes et les estimations jusqu’en très hautes eaux, nous avons pu construire un modèle qui s’avère assez complexe ( Fig. 6 ). Pour la simulation hydraulique, nous avons utilisé le code SWMM 5.0. ( Rossman 2004 ).

La complexité résulte du fait que les variations de niveau d’eau dans les aquifères karstiques induisent des activations successives de conduits superposés, marquant chaque fois très clairement les relations entre charge et débit. Ce sont donc bien les données mesurées qui imposent une structure aussi complexe.

Le modèle peut alors être utilisé pour calculer des scenarii de recoupement de conduits karstiques. La situation la plus défavorable serait de recouper le conduit qui alimente l’en-

Figure 6 . Coupe schématique du modèle hydraulique du réseau de conduits alimentant les sources de Brunnmühle et les exutoires de trop-plein. Les couleurs des conduits correspondent à la taille des con-duits obtenue par calibration du modèle. Nombres noirs = diamètre.

Figur 6. Schematischer Schnitt des hydraulisches Modells, durch welches die Brunnmühle und die zugehörigen Ueber-lauf-Quellen gespeist werden. Die Farben der Gänge entsprechen den kalibrierten Gang-grössen, die schwarzen Ziffern entsprechen dem berechneten Gangdurchmesser.

werden. Es sind also die Messwerte, welche die komplexe Struktur vorgeben.

Das Modell kann nun verwendet werden, um diverse Szenarien von angeschnittenen Karstwasserbahnen durch-zurechnen. Die ungünstigste Situation ist, wenn eine Wasserbahn angeschnitten wird, welche das gesamte Netz verbindet («Upstream conduit» in Figur 6). Mit Hilfe des Modells kann man hydraulische Drücke und die möglicher Menge des angetroffenen Gebirgswassers abschätzen. Bei einem grossen Hochwasserereignis kann der Abfluss 10m3/s erreichen bei gleichzeitigem Druck von 5 bar.

Die Karströhren dieses Modells werden anschliessend auf das gesamte Einzugsgebietsgebiet extrapoliert. Durch Anwendung eines Modells, welches uns erlaubt, den effektiven Wassernachschub (Niederschlagsmenge, welche das unterirdische Netz erreicht) zu ermitteln, können wir den Abfluss des Systems in Funktion der meteorologischen Daten berechnen. Deshalb haben wir ein auto matisches Wassermesssystem installiert, welches in Echtzeit den Druck und den Abfluss aus den meteo-rologischen Vorhersagen sowie den Messdaten an den Quellen und den Höhlen ableitet. Zusammen mit den Projektingenieuren legten wir die Alarmschwellen fest. 3 Hauptzustände:

1 keine Probleme, tiefer Wasserstand. 2 Achtung, die Druckspiegel sind hoch; eine Evakuation

ist in Betracht zu ziehen, engmaschige Überwachung der Voraussagen.

3 Wasserniveaus hoch, die Baustelle muss geräumt werden.

Wegen der möglichen Verschmutzung der Brunnmühle- Quelle bei Niederwasser ist eine zusätzliche Gefahren-stufe 2* zu definieren: Achtung, der Druckspiegel sinkt unter das Stollenniveau und wirkt infiltrierend. Risiko einer Kontamination der Quelle liegt vor.

Dieses Alarmsystem erlaubt es dem Unternehmer, vor-zeitig (Stunden bis Tage) Arbeitsunterbrechungen und deren Dauer zu antizipieren. Dies stellt einen grossen Vorteil im Umgang mit den Risiken des unterirdischen Karstwassermilieus dar.

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Figure 7 . Schéma synthétique du système de prévision des risques hydrologiques et des procédures d’ « alarme karst ». A partir de mesures en temps réel aux sources et dans les grottes et des prévisions météo, un modèle hydrologique calcule les conditions futures dans le système. Si celles-ci dépassent cer-taines valeurs critiques, une alarme est déclenchée, impliquant une procédure à suivre sur le chantier et des mesures associées.

Figur 7. Zusammenfassendes Schema des Prognosesystems bezüglich hydrologischer Risiken und dem « Karstalarm ». Ausgehend von Echtzeit-Messungen bei den Quellen, Höhlen und auf Grundlage meteorologischer Daten wird eine hydro-logische Prognose berechnet. Bei Grenzwertüberschreitung: Alarm mit festgelegtem weiterem Prozedere auf der Baustelle.

semble de ce réseau ( « Upstream conduit » sur la figure 6 ). Grâce au modèle, on peut estimer les charges hydrau-liques et le débit potentiellement recoupé. Lors d’une crue majeure, le débit pourrait dépasser 10 m3/s et la charge hydraulique 5 bars.

Les conduits de ce modèle sont ensuite repris et extrapolés à l’échelle de tout le bassin d’alimentation. En utilisant un modèle qui permet de calculer la re-charge de l’aquifère ( quantité de pluie qui alimente réellement le réseau souterrain ), nous pouvons cal-culer les écoulements dans le système en fonction des conditions météorologiques. Ainsi, nous avons mis au point un système automatique qui calcule en temps réel la charge et le débit à partir des prévisions météo et des données mesurées aux sources et dans les grottes. Avec les ingénieurs du projet, nous avons fixé des seuils d’alarme définissant 3 états principaux : 1 ) pas de problème, les niveaux sont bas ; 2 ) Atten-tion, les niveaux sont élevés une évacuation pourrait intervenir, surveiller de près les prévisions ; 3 ) niveaux d’eau trop élevés, le chantier doit être évacué. En raison de risques de pollution de la source de Brunnmühle en basses eaux, il convient de définir encore un état supplémentaire 2* ) attention, la hauteur d’eau dans l’aquifère passe sous la côte de la galerie, qui devient alors infiltrante. Il y a risque de contamination de la source. Ce système permet aux entreprises d’anticiper de quelques heures à quelques jours les arrêts et leur durée, ce qui est un atout capital pour la gestion des risques liées aux eaux souterraines.

Discussion L’approche appliquée permet de rassembler dans

un seul modèle la grande majorité des données dis-ponibles, ce qui garantit une certaine cohérence à l’ensemble. Toutefois, il faut garder à l’esprit que les images et les estimations de charges et débits résultent d’une succession de modèles, présentant chacun des incertitudes. Il faut donc utiliser les résultats avec un regard critique. Lors de prises de décisions basées sur ces modèles, il est prudent d’essayer de compléter les données, afin de valider l’hypothèse proposée par les modèles. Dans le cas de Ligerz, de nombreuses adapta-tions du système de mesure ( débit des exutoires, hau-teurs d’eau ), ainsi que des précisions géologiques ont été introduites au cours de l’étude, afin d’améliorer les prévisions. Des incertitudes demeurent mais la fiabilité globale s’améliore au fur et à mesure, grâce notamment au réseau de mesures hydrologiques qui a été mis en place au début de l’étude.

Une autre difficulté est que, dans le cas de Ligerz, les données sur le système dans son état naturel ( avant chantier ) sont pratiquement inconnues : les mesures ont commencé lorsque des problèmes pour l’ouvrage se sont posés. Il est donc difficile d’évaluer l’impact des ouvrages et de proposer des mesures vraiment adéquates pour les limiter.

Il est ainsi fortement recommandé que le type d’ap-proche présenté dans cette note soit appliqué assez tôt dans le processus de conception d’ouvrages en milieu karstique.

DiskussionDer angewendete Ansatz erlaubt es, in einem einzigen

Modell die meisten der vorliegenden Daten auszuwerten, was eine gewisse Kohärenz erlaubt. Doch muss beachtet werden, dass die Schätzwerte von Druck und Abfluss auf Basis von Modellschritten entstanden sind; jedes Modell unterliegt gewissen Unsicherheiten, die Resul-tate sind also kritisch zu würdigen. Bei Entscheidungen auf Basis dieser Modelle sind die Werte vorsichtshalber zu vervollständigen und erst danach die vorgeschla-gene Hypothese zu validieren. Im Fall von Ligerz sind im Laufe der Modell bildung zahlreiche Anpassungen des Systems erfolgt (Abflüsse der Austtritte, Wasserniveau, Geologie). Zudem wurden gewisse geologische Präzi-sierungen im Verlauf der Untersuchungen eingeführt, um die Vorhersagen zu verbessern. Die Unsicherheiten bleiben, aber die globale Vertrauenswürdigkeit steigt, insbesondere wegen dem im Laufe der Zeit wachsenden Messstellennetz.

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Bibliographie

ConclusionL’approche KARSYS a été appliquée au système de

la Brunnmühle en lien avec le percement de différents tunnels et galeries. Elle a permis d’estimer la position des nappes d’eau souterraine, des principaux axes de drainage et des limites du bassin d’alimentation de ce système. Les ouvrages ont donc pu être positionnés par rapport aux écoulements souterrains. La méthode KarstALEA a ensuite permis de préciser la position et la nature des dangers que le karst pouvait représenter pour l’ouvrage, et inver-sement d’évaluer les impacts que l’ouvrage pourrait avoir sur les eaux souterraines. La probabilité de recouper des conduits karstiques s’est avérée élevée et problématique, les conduits étant traversés en période de crue par des débits pouvant dépasser 10 m3/s. Un modèle hydraulique des conduits karstiques dans la zone concernée par les galeries a été construit, permettant d’estimer assez précisément les relations entre charges et débits. En fonction de ces résultats, des seuils d’alarme ont été définis, impliquant des procédures spécifiques à respecter sur le chantier en fonction des risques ( évacuation du chantier en hautes eaux, arrêt du percement en très basses eaux, etc. ). Un système de prévision des conditions hydrologiques a été mis en place, permettant au personnel du chantier d’anticiper les arrêts quelques heures à quelques jours à l’avance et d’estimer leur durée.

Le système mis en place pour la galerie de sécurité du tunnel de Ligerz pourra être réutilisé pour le futur per-cement de deux tunnels supplémentaires dans le même secteur ( tunnel ferroviaire et tunnel de Douanne ). ◆

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Eine weitere Schwierigkeit sind – im Fall von Ligerz – die fehlenden Kenntnisse des natürlichen Zustandes vor den Bauarbeiten: Die Massnahmen wurden erst imple-mentiert, nachdem Schwierigkeiten aufgetreten sind. Es ist deshalb schwierig, die Einflüsse des Bauprojektes abzuschätzen und adäquate Modelle zu entwickeln, um allfällige Schwierigkeiten zu minimieren.

Es wird deshalb nachdrücklich empfohlen, den in dieser Arbeit besprochenen Ansatz jeweils relativ früh in der Konzeption von Arbeiten im Karstbereich anzuwenden.

SchlussfolgerungAm System Brunnmühle ist im Zusammenhang mit

dem Bau der verschiedenen Tunnel und Stollen das Modell KARSYS angewendet worden. Es erlaubte, die Lage der Grundwasserdruckspiegel, der Drainage-Achsen und der Einzugsgebiete abzuschätzen. Die Bauten konnten entsprechend den unterirdischen Fliesswegen positioniert werden. Die Methode KarstALEA erlaubt schliesslich, die Lage und Art der Gefahren zu präzisieren und umgekehrt die Einflüsse durch die Karstwasserbahnen zu charakteri-sieren. Die Wahrscheinlichkeit eines Anschneidens unterir-discher Bachläufe hat sich als erhöht herausgestellt, zudem können bei Hochwassereignissen Abflüsse bis mehr als 10 m3/s auftreten. Ein hydraulisches Modell der Karst-wasserbahnen der betroffenen Bauten erlaubt eine recht präzise Abschätzung der auftretenden Wassermengen und Drücke. Aufgrund dieser Resultate wurden Grenz-werte für die Alarmauslösung definiert. Diese ziehen spezifische, risikoabhängige Vorgehensweisen auf der Baustelle mit ein (Evakuation der Baustelle bei Hoch wasser, Unterbruch der Arbeiten bei Niedrigwasser, u.s.w.). Eine Voraussage der hydrologischen Zustände erlaubt, den Prognosezeitraum auf mehrere Tage auszudehnen.

Das für die Tunnel bei Ligerz entwickelte Sicherheits-system kann für die künftig in derselben Gegend geplanten beiden Tunnelbauten (Eisenbahntunnel und Tunnel Twann) wiederverwendet werden. ◆