Avant de suivre l'avancement des études géologiques pour le tunnel Japon-Corée, examinons le contexte général des études géologiques pour le creusement de tunnels. En général, il s'agit de collecter les données existantes. Les données des études menées par le gouvernement sont stockées auprès d'organismes tels que l'Autorité d'information géospatiale du Japon. Des données sont également détenues par des universités. À partir de ces données, une carte géologique générale (vue en plan et coupe) de la zone où le tunnel sera creusé est créée. À partir de cette carte, une étude de surface (voir photo) est réalisée, impliquant une visite de la zone concernée et une étude de la surface et des sédiments.
*Relevé de surface
La création d'une vue en plan géologique crée automatiquement une coupe transversale, mais celle-ci n'est que provisoire. Pour plus de précision, des forages et des explorations par ondes élastiques sont réalisés. Les données obtenues sont tabulées pour chaque couche. L'application de ces données aux schémas de données des milliers de tunnels construits au Japon à ce jour révèle le type de structure géologique et la méthode de creusement appropriée pour chaque couche. Ces schémas sont détenus par JR, la Japan Railway Construction Public Corporation, la Japan Highway Public Corporation, le ministère de la Construction, les compagnies d'électricité et d'autres, chacun disposant de ses propres schémas basés sur ses propres données. Les tunnels relèvent d'une « ingénierie empirique » : une fois certaines valeurs obtenues lors du levé, la méthode de construction appropriée est déterminée empiriquement.
L'étude géologique réalisée avant de décider du tracé du tunnel est appelée « étude de reconnaissance ». Elle commence par un levé de grande envergure utilisant des méthodes physiques, d'où le nom d'exploration géophysique, les explorations par ondes élastiques et électriques étant les plus couramment utilisées. L'exploration géophysique est une étude de surface, tandis que le forage est une étude ponctuelle. L'exploration par ondes élastiques consiste à créer des ondes vibratoires en un point précis de la couche géologique à étudier, par exemple par l'explosion d'explosifs. Ces ondes rebondissent après avoir atteint une limite géologique au large et sont captées par un récepteur en un autre point. L'état réel de la couche est déterminé par la vitesse et la configuration des ondes. La dynamite est souvent utilisée comme source sismique pour les ondes élastiques. Les ondes élastiques sont proportionnelles à la dureté de la couche ; plus la couche est dure, plus les ondes se propagent rapidement et plus leur amplitude est faible. À l'inverse, plus la couche est tendre, plus leur amplitude est importante et plus les ondes se propagent lentement.
Les ondes vibratoires sont réfléchies par les surfaces de dureté variable des strates. Même au sein d'une même strate, la dureté des strates varie selon leur processus de formation. Si différentes strates ont la même dureté, il n'y aura pas de réflexion depuis leurs limites. En cas de faille, la réflexion se fera naturellement depuis celle-ci. Des études hydrologiques sont menées pour étudier le mouvement de l'eau dans les strates. Une méthode d'étude physique appelée exploration électrique est utilisée. Si un point de la surface terrestre est placé à un pôle positif et l'autre à un pôle négatif et que l'on fait passer de l'électricité dans le sol, la forme d'onde du courant changera en fonction de la quantité d'eau souterraine. Cela permet de déterminer où l'eau s'accumule et s'il existe des veines d'eau souterraines. Lors du creusement d'un tunnel en montagne, on trouve souvent des flaques d'eau souterraines, ce qui peut entraîner des inondations. C'est pourquoi une exploration électrique est menée sur toute la montagne pour vérifier la présence d'eau. Des électrodes sont disposées un peu partout sur la montagne selon un motif en moulinet. Une fois que les zones où des flaques d’eau sont susceptibles d’exister sont identifiées, elles peuvent ensuite être confirmées par forage.
*Enquête de forage sur terre
Les emplacements des forages (voir photo) sont choisis parmi ceux jugés nécessaires à l'établissement de coupes géologiques. En effet, l'angle de pénétration des couches superficielles dans le sous-sol est inconnu, et des failles invisibles en surface peuvent exister. Une faille est un point de rupture des couches géologiques dû à des mouvements de la croûte terrestre, comme les séismes. La localisation des failles ne peut être déterminée par les seuls levés de surface. Les principaux obstacles à la construction de tunnels sont la présence d'eau et de failles. Les forages permettent d'en déterminer l'emplacement.
Les levés sous-marins ne peuvent être effectués à pied comme sur terre. C'est pourquoi des levés sonar sont réalisés en premier lieu. Une source sismique est suspendue derrière le navire de levé, et un récepteur d'ondes de vibration est immergé plus loin derrière. Les ondes de vibration produites par les explosions sous-marines sont réfléchies par le fond marin et les couches géologiques sous-jacentes. Ceci permet d'étudier la structure du sous-sol, comme sur terre. Les sources sonores typiques comprennent les signaux électriques et les méthodes utilisant des jets de gaz sous pression (canons à eau). Les signaux réfléchis à chaque limite sont enregistrés et, en les comparant aux données antérieures, la structure approximative peut être déterminée.
Simultanément, un dragage est effectué. Cette opération consiste à descendre un cylindre de fer d'environ 50 cm de diamètre et 3 m de long jusqu'au fond marin et à le remorquer à l'aide d'un navire afin de prélever des échantillons de roche de surface. Cette opération est réalisée dans la même zone maritime que le levé sonar. Dans le détroit de Tsushima, elle a été effectuée sur environ 500 sites au total. De plus, dans les zones présentant des anomalies ou des failles, un forage sous-marin est réalisé. Un levé par forage (forage carotté) consiste à forer le sol à l'aide d'un tube creux et à extraire un échantillon de la couche géologique à cet endroit. Cet échantillon est appelé « carotte ». Alors que le forage de puits de pétrole ou de sources thermales vise à atteindre le gisement ou la source thermale ciblés, les levés géologiques ont pour objectif de prélever des carottes tout au long du forage ; un forage précis est donc indispensable.
L'extrémité du tube rotatif est munie d'une lame contenant des diamants industriels. En forant 500 m, on peut obtenir un échantillon de carotte d'une longueur maximale de 500 m. Généralement, la carotte est remontée tous les 3 m de forage. Son diamètre moyen est de 7,5 cm. Un tube épais est utilisé au début du forage, puis des tubes plus fins au fur et à mesure de la profondeur, ce qui réduit progressivement l'épaisseur de la carotte.
Lors des forages en mer, on utilise un navire de recherche spécialement conçu à cet effet (voir photo). À l'époque, Tokai Salvage en possédait un au Japon, mais il a été démoli après avoir exploré le tunnel Japon-Corée dans le détroit de Tsushima. En mer, quatre câbles sont tendus depuis le navire de recherche et d'énormes poids, appelés anneaux d'ancrage, sont enfouis au fond marin pour empêcher le navire d'avancer, de reculer ou de se déplacer latéralement. Lors des forages effectués dans les eaux du côté coréen, au large de Tsushima, les courants océaniques étaient si rapides que l'un des câbles s'est rompu. Le plus difficile est de gérer les mouvements de va-et-vient.
Par conséquent, les foreuses installées à bord des navires sont conçues pour résister aux mouvements verticaux. Elles sont équipées de puissants ressorts pour absorber ces mouvements. Au large de Tsushima, par 150 m de fond marin, elles ont foré jusqu'à 500 m sous le fond marin en 40 jours, soit une durée comparable à celle d'un forage terrestre.
Une fois les données collectées et les cartes géologiques établies, le tracé du tunnel est déterminé en fonction de ces dernières. Techniquement, la topographie, la géologie et les méthodes de construction constituent les principaux enjeux. Les failles et les inondations complexifient les travaux et augmentent les coûts ; le tracé est donc choisi de manière à traverser les couches géologiques les plus stables possibles. En pratique, les contraintes administratives sont également prises en compte.
Étude géologique et de construction du tunnel Japon-Corée
Aperçu du tunnel Japon-Corée
