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Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2022

Langue

Anglais

Résumé

Les travaux en tranchée exposent les travailleurs à de nombreux risques. Le risque d'effondrement est le plus important et le plus fréquent lors de tels travaux, mais il est malheureusement très souvent sous-estimé, car même un effondrement mineur ou partiel de moins de 1 m3 de sol peut mortellement blesser un travailleur. L'analyse de 59 rapports de la Commission des normes, de l'équité, de la santé et de la sécurité du travail (CNESST) concernant des accidents graves et mortels survenus lors de travaux d'excavation et en tranchée réalisés entre juin 1973 et mai 2015 montre qu'il y a eu 51 décès et 25 accidents graves au Québec au cours de cette période. L’effondrement de parois provoque fréquemment des accidents de travail sur les chantiers de construction, et il doit être évité à tout prix. Pour ce faire, les pentes doivent être excavées à un angle sécuritaire, selon le type de sol, ou des murs de soutènement temporaires doivent être érigés pour soutenir les pentes.

Les accidents d'effondrement nous rappellent que la résistance au cisaillement des dépôts de sol naturels n'est pas uniforme et que la stabilité des tranchées varie d'un point à un autre au sein d'un dépôt. Bien que les règlements de l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA), les règlements sur la santé et la sécurité au travail, et divers règlements provinciaux canadiens prescrivent des pentes maximales admissibles pour des excavations sécuritaires, il existe toujours un risque de glissement de terrain dans un remblai.

Des effondrements surviennent fréquemment dans le cadre de petits projets de construction, et y sont cause de décès ou de blessures graves. Bon nombre de ces décès et blessures graves pourraient être évités si les travailleurs pouvaient déceler les signes avant-coureurs d'un effondrement, et ainsi évacuer l'excavation à temps. Des études de cas révèlent que les travailleurs n'ont pas toujours le temps d'évacuer l'excavation pour l’une ou l’autre des raisons suivantes : 1) le temps écoulé entre la fin de l’excavation et la survenue d’un effondrement amène les travailleurs à mal évaluer la stabilité de la masse de sol; 2) des phénomènes de fluage surviennent avant l'effondrement; 3) les mouvements de terrain sont initialement trop faibles pour être détectés par simple observation.

De fait, un glissement de paroi est très difficile à prévoir par simple observation visuelle. Des capteurs de surveillance peuvent être utilisés pour détecter de petits mouvements dans une pente ou une paroi – indicatifs d’un risque accru d'effondrement –, et ainsi prévenir les travailleurs d’un risque imminent. Ceux-ci peuvent alors évacuer l'excavation à temps de sorte à éviter des accidents graves ou mortels. Compte tenu de l'environnement dans lequel de tels capteurs de surveillance sont temporairement utilisés sur les chantiers de construction, ils doivent être rapides à installer et faciles à utiliser.

Le Mini Pipe Strain Meter (MPSM) a précédemment été développé au National Institute of Occupational Safety and Health, Japon (JNIOSH), et testé dans leur laboratoire avec des sols japonais pour mesurer une éventuelle augmentation de la déformation de cisaillement dans le sous-sol peu profond des remblais. Une déformation accrue est indicative d’un effondrement imminent, et le MPSM émet, le cas échéant, des signaux sonores et lumineux pour prévenir les travailleurs à temps d'évacuer la tranchée.

Des essais de glissement de pente et de paroi sur un modèle à l’échelle réelle réalisés au laboratoire du JNIOSH ont montré que :

  • le MPSM avait détecté le risque de glissement de pente lors des essais;
  • de petites déformations de cisaillement à faible profondeur étaient clairement mobilisées, ce qui correspondait au développement de surfaces de glissement plus en profondeur;
  • la détection du deuxième ou du troisième fluage pourrait laisser quelques minutes aux travailleurs pour évacuer les lieux;
  • lorsque le risque de glissement de pente ou d'effondrement de paroi augmente, il n'est pas perceptible par simple observation;
  • aucune fissure et aucun mouvement de terrain n'avaient pu être observés avant glissement lors des essais;
  • le temps écoulé avant glissement dépendait du sol et des conditions d'excavation;
  • le glissement d'une pente ou l'effondrement d'une paroi peut être prédit par des mesures; par conséquent, le risque peut être détecté à l’avance.
En prévenant d'un effondrement imminent, le MPSM aide à réduire le risque de blessure par effondrement. Bref, le MPSM n'est pas un système de prévention de glissement de pente ou d'effondrement de paroi, mais une méthode de surveillance des risques. D'autres mesures de sécurité doivent être utilisées conjointement au MPSM.

Bien que le MPSM ait été développé et testé avec succès pour surveiller la stabilité des tranchées et l'effondrement des parois dans des sols types du Japon, ses performances avec d'autres types de sols demeuraient inconnues. La présente expertise visait donc à déterminer si le MPSM fonctionnerait efficacement in situ dans l'argile sensible, un sol type de la mer de Champlain et de la sous-surface de plus de 80 % du territoire habité de la province de Québec. Cette expertise a été possible grâce à la réalisation concomitante d’une étude plus étendue intitulée Classification des sols et sélection des systèmes d'étançonnement pour l'excavation des tranchées (projet de l’IRSST no 0099-5290).

Les résultats d’essai ont montré que :

  • le MPSM est facile à installer manuellement sur un site avec une clé à molette;
  • le MPSM a bien fonctionné lors des essais in situ dans l'argile type de la mer de Champlain;
  • lors des essais, le premier signal d'avertissement (D1 : feu jaune) et le deuxième signal d'avertissement (D2 : feu rouge) se sont déclenchés, indiquant un effondrement imminent; la durée du D1 a été de 22 minutes, et celle du D2, de 50 secondes;
  • le MPSM a permis de mesurer toute augmentation du risque d'effondrement durant l'excavation de la tranchée;
  • le MPSM pourrait être utilisé sur les sites québécois d'argile Champlain s'il était offert à un prix raisonnable. Il se vend actuellement environ 7000 $ US au Japon.
Le MPSM doit néanmoins faire l’objet d’essais ultérieurs avec d'autres types de sols québécois, de même que pour évaluer sa fiabilité et sa sensibilité quant à l'influence de son positionnement par rapport à une tranchée ou à une pente.

Abstract

Trenching work exposes workers to many risks. Cave-in is the most serious and frequent risk during such work, but unfortunately, it is very often underestimated, as even a minor or partial cave-in of less than 1 m3 of soil can fatally injure a worker. An analysis of 59 reports of serious and fatal accidents in excavation and trenching work from the Commission des normes, de l’équité, de la santé et de la sécurité du travail (CNESST), between June 1973 and May 2015, shows that there were 51 fatalities and 25 serious accidents in Quebec. Wall collapses frequently cause occupational accidents on construction sites and must be avoided at all costs. In order to do this, slopes must be excavated at a safe angle, depending on the type of soil, or temporary retaining walls must be erected to support the slopes.

Cave-in accidents are a reminder that the shear strength of natural soil deposits is not uniform and that trench stability varies from one point to another within a deposit. Although Occupational Safety and Health Administration (OSHA) regulations, Health and Safety at Work regulations and various Canadian provincial regulations prescribe maximum allowable slopes for safe excavations, there is always a risk of landslide in an embankment.

Cave-ins occur frequently on small construction projects and cause fatalities and/or serious accidents. Many of these fatalities and serious injuries could have been avoided if the workers had identified the warning signs of a cave-in and had therefore been able to evacuate the excavation in time. Case studies reveal that workers do not always have time to evacuate the excavation because 1) the time between the completion of the excavation and the onset of the cave-in causes the workers to misinterpret the stability of the soil mass, 2) creep phenomena occur before the cave-in and 3) ground movements are initially too small to be detected by simple observation.

Indeed, wall failure is very difficult to predict by visual observation alone. Monitoring sensors can be used to identify small movements in a slope or wall, indicating an increased risk of cave-in, and warn workers of the imminent risk. They can then evacuate the excavation in time to avoid serious accidents or fatalities. Given the environment in which these monitoring sensors are used temporarily on construction sites, they must be quick to install and easy to use.

The Mini Pipe Strain Meter (MPSM) was previously developed at the National Institute of Occupational Safety and Health, Japan (JNIOSH) and was tested in their laboratory with Japanese soils to measure the increase in shear strain in the shallow subsoil of embankments. An increase in strain indicates an impending cave-in and the MPSM emits sound and light signals to warn workers in time to evacuate the trench.

Full-scale model tests of slope and wall failure performed in the laboratory at the JNIOSH showed that:

  • The MPSM detected the risk of slope failure for those tests;
  • Small shear deformations at shallow depths were clearly mobilized, which corresponded to the development of sliding surfaces in deeper parts;
  • The identification of the second or third creep could give workers a few minutes to evacuate;
  • When the risk of slope failure or wall cave-in increases, it is not perceptible by observation alone;
  • No visible cracks were observed during the tests and no ground movements were visible before the failure;
  • The length of time before failure depended on the soil and on the excavation conditions;
  • The cave-in of a slope or wall can be predicted by measurement; therefore, the risk can be detectable by prediction.
By warning that a collapse is imminent, the MPSM helps reducing the risk of injury from cave-in. In short, the MPSM is not a system for preventing slope or wall to cave-in, but rather a method for monitoring the risks. Other safety measures should be used in conjunction with the MPSM.

As the MPSM was developed and successfully tested to monitor trench stability and wall collapse in typical soils of Japan, its performance with other types of soil remained unknown. Therefore, the focus of the present expertise was to determine whether the MPSM would perform effectively in situ in sensitive clay, a typical soil of the Champlain Sea, which makes up the subsurface of more than 80% of the inhabited territory of the province of Quebec. This expertise was possible as a larger study entitled Soil classification and selection of shoring systems for the excavation of trenches (IRSST Project #0099-5290) was concomitantly realized.

The tests results showed that:

  • The MPSM is easy to install manually on site with a wrench key;
  • The MPSM worked well during site tests in typical Champlain Sea clay;
  • During these tests, the first warning signal (D1: yellow light) and the second warning signal (D2: red light) were triggered, indicating an imminent cave-in. D1 lasted 22 minutes, whereas D2 lasted 50 seconds;
  • The MPSM provided a means of measuring any increase in the risk of a cave-in during trench excavation;
  • The MPSM has potential for use on Quebec sites of Champlain clay if it is available at a reasonable price. It currently sells for about US$7,000 in Japan.
Further testing of the MPSM is nonetheless required with other types of Quebec soil and to assess its reliability and sensitivity regarding the influence of its placement with respect to the trench or slope.

ISBN

9782897971519

Mots-clés

Excavation et tranchée, Trenching and excavating, Mécanique des sols, Soil mechanics, Étançon, Prop, Stabilité du terrain, Soil stability, Blindage de tranchée, Trench shoring, Éboulement, Collapse, Méthode de travail et sécurité, Safe working method, Glissement de terrain, Landslide, Protection contre les éboulements, Protection against landslides, Mini Pipe Strain Meter

Numéro de projet IRSST

2018-0008

Numéro de publication IRSST

R-1124-en

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