Procédé de soutènement, par injection de boue, d'un front de taille d'un terrain, outil et bouclier d'injection en faisant application

Abstract

 - Technique de creusement par bouclier pressurisé.
- Le procédé de soutènement d'un front de taille d'un terrain consiste à injecter la boue en aval du front de taille (T) dans le sens de progression du bouclier, en traversant l'outil de taille (8), pour former, préalablement et/ou simultanément à l'attaque de l'outil, un cake (C) de blocage et d'étanchement du front de taille qui subsiste continuellement après le passage de l'outil en vue d'assurer un blocage et un étanchement continus du front de taille stabilisé par l'air comprimé.
- Application au creusement d'un tunnel.

Description

[0001] La présente invention concerne le domaine technique du soutènement d'un front d'avancement et de taille d'une galerie souterraine, telle qu'un tunnel, réalisée dans un terrain ébouleux, de nature et de granulométrie diverses, aquifère ou non.

[0002] L'invention vise, plus précisément, le soutènement d'un front de taille et d'avancement, lors du creusement d'une galerie souterraine, par la méthode dite à bouclier pressurisé.

[0003] Selon cette méthode, il est connu de déplacer en translation, à l'intérieur du terrain à creuser, une machine appelée tunnelier et comportant, notamment, un bouclier de soutènement placé en avant de la machine. D'une manière générale, le bouclier comporte une chambre d'abattage délimitée par le front du terrain taillé par un outil tournant, une virole externe et une cloison transversale étanche placée à distance de l'outil de taille.

[0004] Dans une première technique connue de soutènement, la chambre d'abattage est destinée à contenir de l'air comprimé assurant la stabilité du front de taille.

[0005] Les applications de cette technique de soutènement s'avèrent, en pratique, très limitées, dans la mesure où le terrain creusé doit être homogène et présenter une fine granulométrie. Par ailleurs, la mise en oeuvre de cette technique impose de laisser subsister une couverture de terrain au moins égale au diamètre du tunnel creusé, en raison du faible pouvoir d'étanchement de ce cake déposé en surface du front d'abattage.

[0006] Une seconde technique de soutènement connue consiste à introduire, dans la chambre d'abattage, une boue sous pression présentant des caractéristiques de stabilisation déterminées en relation avec le terrain rencontré lors du creusement. La boue, par exemple du type bentonitique, est destinée à pénétrer le terrain correspondant sur une profondeur donnée et/ou revêtir le front de taille pour constituer un cake mobilisateur de la pression stabilisatrice du front de taille. Les déblais, qui se trouvent en suspension dans la boue à l'intérieur de la chambre d'abattage, sont évacués de cette dernière avec la boue, vers une station de traitement permettant de récupérer la boue et de l'injecter de nouveau dans la chambre d'abattage.

[0007] Cette technique de soutènement par pression de boue présente un inconvénient majeur qui est celui d'imposer la mise en oeuvre d'une station de traitement et, par suite, de canalisations d'amenée et de retour, nécessitant l'utilisation d'une importante quantité de boue qui est très onéreuse.

[0008] Un autre inconvénient de cette technique réside dans le fait que la présence de la boue dans la chambre d'abattage ne permet pas d'observer le front de taille et l'outil pendant l'abattage du terrain.

[0009] Pour tenter de remédier aux inconvénients de cette technique, l'art antérieur a proposé une variante de la technique de soutènement, dit à bouclier, à pression d'air comprimé. Conformément à cette technique décrite par le document FR-A-2 481 360, l'outil de taille est porté par un bras pivotant traversant la cloison transversale étanche et pourvu d'un dispositif de projection d'une boue sur le front du terrain, vers la zone d'environnement de l'outil, de manière à projeter la boue sur la partie du terrain que l'outil vient de tailler, en tentant de créer une membrane d'étanchéité de surface recouvrant le front d'abattage et permettant de maintenir une pression d'air de stabilisation du front de taille à une pression donnée.

[0010] Il apparaît que la mise en oeuvre de cette technique présente plusieurs inconvénients.

[0011] Il doit, tout d'abord, être considéré que cette technique ne permet pas de contrôler la répartition du débit de boue projetée, en vue d'obtenir un revêtement homogène du terrain. Cette contrainte entraîne, d'une part, des surcharges localisées de boue entraînant un décrochement de la membrane présumée et, d'autre part, des sous-charges ponctuelles de boue susceptibles de constituer des zones où l'étanchéité du terrain n'est plus assurée.

[0012] La formation d'une membrane d'étanchéité homogène est d'autant plus difficile à réaliser que des phénomènes de rebondissement de boue sur le front de taille apparaissent, en raison du principe même de cette technique, consistant en une projection de boue sur le terrain. Il est à noter que ces projections altèrent, voire même empêchent, l'observation du front de taille.

[0013] De plus, il s'avère que cette technique, qui vise à rendre étanche la partie du terrain que l'outil vient de tailler, provoque une rupture d'étanchement de la membrane, au niveau de la partie du terrain qui est en cours de taillage. De plus, il apparaît que la partie du front d'abattage, située au niveau du radier du tunnel, n'est pas revêtue par la boue, dans la mesure où la buse de projection ne peut accéder immédiatement à cette partie du front d'abattage, en raison du temps de positionnement de la buse de projection.

[0014] Pour toutes les raisons énoncées ci-dessus, la technique de soutènement décrite ci-dessus ne permet pas d'assurer la formation d'une membrane d'étanchement au niveau du front d'abattage, de sorte que l'air comprimé diffuse, à l'intérieur du terrain et n'est plus en mesure d'assurer sa fonction de soutènement du front de taille. Dans la mesure où cette technique ne permet pas la formation d'une membrane présumée étanche sur toute la surface du front de taille, les inconvénients de la technique du bouclier à air comprimé subsistent. Par conséquent, les applications de cette technique de soutènement s'avèrent, en pratique, très limitées, dans la mesure où le terrain creusé doit être homogène et présenter une fine granulométrie. Par ailleurs, la mise en oeuvre de cette technique impose de laisser subsister une couverture de terrain au moins égale au diamètre du tunnel creusé, en raison du faible pouvoir d'étanchement de ce cake déposé en surface du front d'abattage.

[0015] La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus, en proposant un procédé de soutènement par injection de boue, d'un front de taille d'un terrain assurant la formation d'un cake d'étanchement et de blocage du front d'abattage sur la totalité de la surface de taille qui permet de maintenir, à l'intérieur de la chambre d'abattage, une pression efficiente de stabilisation du front de taille.

[0016] L'invention vise aussi à proposer un procédé adapté pour assurer une fonction de soutènement pour un front de taille de terrains de natures diverses.

[0017] L'invention vise aussi à proposer un procédé de soutènement offrant la possibilité d'examiner le front de taille pendant l'abattage du terrain par l'outil de taille.

[0018] L'invention vise, également, à offrir un procédé de soutènement permettant de s'affranchir de la mise en oeuvre d'une station de traitement des déblais et de boue.

[0019] Pour atteindre les buts ci-dessus, le procédé de soutènement d'un front de taille d'un terrain dans lequel est déplacé en translation un bouclier d'injection, du type comportant une chambre d'abattage destinée à contenir de l'air comprimé à une pression déterminée et délimitée par une virole externe, une cloison étanche et par le front du terrain revêtu par une boue et taillé par un outil entraîné en rotation. Le procédé selon l'invention consiste à injecter la boue en aval du front de taille dans le sens de progression du bouclier, en traversant l'outil de taille, pour former, préalablement et/ou simultanément à l'attaque de l'outil, un cake de blocage et d'étanchement du front de taille qui subsiste continuellement après le passage de l'outil, en vue d'assurer un blocage et un étanchement continus du front de taille soutenu par l'air comprimé.

[0020] La présente invention vise, également, à proposer un outil de taille permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention et comportant :
- un conduit d'amenée de boue prolongé par une buse de pénétration dans le terrain comportant au moins un orifice d'injection de boue à l'intérieur du terrain,
- et au moins deux porte-outils montés de façon diamétralement opposée sur le conduit, entraînés en rotation et supportant au moins chacun un fer dont l'extrémité libre s'étend dans un plan de taille placé en retrait de l'orifice d'injection de boue.

[0021] Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.

La fig. 1 est une coupe en élévation d'un bouclier d'injection en cours de creusement d'une galerie souterraine.

La fig. 2 est une vue en perspective d'un outil de taille permettant de mettre en oeuvre le procédé de soutènement selon l'invention.

La fig. 3 est une vue de face de l'outil de taille conforme à la fig. 2.

La fig. 4 est une vue en coupe prise, sensiblement, selon les lignes IV-IV de la fig. 3 et montrant le procédé de soutènement selon l'invention.

La fig. 5 est une vue de dessus prise selon la ligne V de la fig. 4 et montrant un détail caractéristique de l'outil de taille.

La fig. 6 est une vue de face d'une autre variante de réalisation d'un outil de taille.

La fig. 7 est une vue en coupe prise sensiblement selon les lignes VII-VII de la fig. 6.

[0022] La fig. 1 illustre un terrain 1 de nature et de granulométrie diverses, aquifère ou non, et dans lequel est déplacé, en translation dans le sens de la flèche a, une machine 2 appelée, généralement, tunnelier et destinée à creuser une galerie souterraine, telle qu'un tunnel. De façon classique, le tunnelier 2 est équipé, à sa partie avant, d'un bouclier d'injection 4 comportant une chambre d'abattage 5 et, à sa partie arrière, d'appareils et de dispositifs, non représentés, mais connus en soi, assurant le fonctionnement du tunnelier.

[0023] La chambre d'abattage 5 est délimitée par une virole externe 6, une cloison transversale étanche 7 située à distance de l'extrémité libre de la virole 6 et par le front T du terrain 1 placé à l'intérieur de la virole et destiné à être abattu à l'aide d'un outil de taille 8.

[0024] Dans l'exemple illustré, le bouclier d'injection 4 est du type à attaque ponctuelle, dans la mesure où la surface découverte par l'outil ne constitue qu'une faible portion du front de taille T. Dans cet exemple, l'outil de taille 8 est porté par un bras télescopique 9 entraîné en rotation et articulé sur une rotule 11 permettant à l'outil d'atteindre toute la surface du terrain placée en relation de la virole.

[0025] Le procédé de soutènement selon l'invention consiste, à partir d'une canalisation 12 traversant le bras 9, à injecter, en aval ou en avant du front de taille T, selon le sens de progression a du bouclier et en traversant l'outil de taille 8, une boue présentant des caractéristiques déterminées de blocage et d'étanchement du terrain rencontré. La boue, qui est représentée par les flèches f₁ sur les fig. 1 et 4, pénètre à l'intérieur du terrain et l'emprègne sur une profondeur déterminée et recouvre le front de taille sur une surface au moins égale à celle placée en relation de l'outil, de sorte qu'un cake C de blocage du terrain et d'étanchement du front de taille est formé, préalablement et/ou simultanément à l'attaque proprement dite de l'outil. Dans la mesure où la boue est injectée continuellement en aval du front de taille pour diffuser, à l'intérieur du terrain, le cake C est formé en continu et subsiste, après le passage de l'outil de taille 8 qui, comme illustré par exemple à la fig. 4, est animé d'un mouvement de balayage descendant représenté par la flèche b.

[0026] Simultanément à l'injection de boue, de l'air comprimé, représenté par la flèche f₂ sur la fig. 1, est introduit, par un tuyau d'arrivée 13, dans la chambre d'abattage 5, de manière à assurer la stabilité du front de taille T. L'air comprimé est retenu à l'intérieur de la chambre d'abattage, en raison de la présence du cake d'étanchement C qui limite la sortie de l'air à l'intérieur du terrain.

[0027] Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un cake d'étanchement et de maintien de la pression stabilisatrice du front de taille T par l'injection de boue en relation et en aval de l'outil de taille 8. Le procédé de l'invention permet aussi de réduire la consommation de boue utilisée complètement, en raison de son injection à l'intérieur du terrain. De plus, la chambre d'abattage 5, qui contient de l'air comprimé, permet d'observer constamment le front de taille T par des hublots 14 ménagés dans la cloison étanche 7. Par ailleurs, les déblais peuvent être évacués de la chambre d'abattage par tout moyen convenable mais, de préférence, mécanique, tel qu'une vis d'Archimède 15.

[0028] Les fig. 2 à 5 illustrent, plus précisément, une première variante de réalisation d'un outil de taille permettant de mettre en oeuvre le procédé de soutènement conforme à l'invention. L'outil de taille 8 comporte un conduit 16 d'amenée de boue destiné à être raccordé à la canalisation 12 traversant le bras 9. Le conduit 16 est prolongé par une buse d'injection 17 et comporte, par exemple, sur sa surface externe, une vis V d'évacuation des déblais. Avantageusement, la buse 17 est constituée par un tronc de cône permettant de pénétrer dans le terrain et comporte au moins un trou d'injection 18 débouchant dans la petite base 17₁ du tronc de cône. De préférence, des trous d'injection 18₁ débouchent dans la surface latérale de la buse, de manière à assurer une injection suffisante de boue à l'intérieur du terrain pour constituer un cake d'étanchement et de blocage adapté au terrain. Avantageusement encore, la buse d'injection 17 est pourvue, extérieurement, d'au moins deux dents hélicoïdales 19 montées de façon diamétralement opposée et destinées à faciliter l'engagement de l'outil dans le terrain. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 3, chaque dent 19 s'étend, par exemple, à partir de la petite base 17₁, jusqu'à la grande base 17₂ du tronc de cône, selon une plage angulaire l sensiblement égale à 90 degrés.

[0029] L'outil de taille 8 comporte, également, au moins deux porte-outils 20 fixés solidement, de façon diamétralement opposée, sur le conduit 16. Chaque porte-outil 20 est destiné à supporter, par tout organe de fixation approprié, tel que des vis 21, au moins un et, par exemple, trois fers 22. Selon l'invention, chaque fer 22 présente une extrémité libre 23 s'étendant dans un plan de taille P placé en retrait ou en amont par rapport aux orifices d'injection de boue 18, 18₁ (fig. 4).

[0030] Dans l'exemple illustré d'un outil à attaque ponctuelle, chaque porte-outil 20 supporte, d'une part, deux fers 22₁ constitués par des dés et, d'autre part, un fer extérieur 22₂ formé par une dent qui présente une surface extérieure 22′₂ incurvée et tournée vers l'intérieur de l'outil pour faciliter l'engagement de ce dernier dans le terrain, quelle que soit l'inclinaison du bras porteur 9. Bien entendu, les fers 22₁, 22₂, qui sont ménagés dans l'exemple illustré dans une pièce unique, peuvent être constitués par des pièces indépendantes les unes des autres.

[0031] Avantageusement, l'extrémité libre de chaque fer 22₁ est aménagée pour comporter une rainure 24 en "V" déterminant deux arêtes tranchantes 25. Tel que cela ressort plus précisément de la fig. 5, le profil des rainures 24 s'étend dans un plan Q perpendiculaire au plan de rotation R de l'outil, de préférence à une mesure angulaire d près, décrit ci-après.

[0032] Les fers 22 de l'outil sont décalés symétriquement, par rapport à un plan U perpendiculaire au plan R de rotation de l'outil, d'une mesure angulaire d comprise entre 20 et 40 degrés et, de préférence, égale à 30 degrés. Le décalage des fers permet d'obtenir une coupe nette du terrain et non un arrachement de ce dernier.

[0033] Les fig. 6 et 7 illustrent une autre variante de réalisation d'un outil de taille 8 permettant de mettre en oeuvre un procédé préféré de soutènement. L'outil de taille 8 comporte des canaux 26 d'amenée de boue, débouchant sur l'extrémité libre 23 des fers 22, de manière à injecter de la boue dans le terrain, au moins en relation avec les parties actives de l'outil. Additionnellement à la formation du cake dû à l'injection de boue dans la partie centrale de l'outil, par les orifices 18, 18₁, il peut être obtenu un surcake d'étanchement du front de taille. Il est à noter que l'injection de boue dans la partie centrale de l'outil contribue, également, à la formation du surcake d'étanchement par surgissement partiel de la boue sur le front de taille.

[0034] De préférence, les canaux 26 débouchent dans le fond des rainures 24 qui, par leur forme en "V", permettent d'éviter l'obturation des canaux par des fragments du terrain.

[0035] Dans l'exemple illustré, les canaux 26 communiquent avec le conduit principal 16 d'amenée de boue qui présente une section de passage réduite en relation avec le départ des canaux, de manière à favoriser l'amenée de la boue dans les canaux 26.

[0036] La description qui précède de l'outil de taille concerne, principalement, un outil d'attaque ponctuelle du terrain. Bien entendu, il peut être envisagé de réaliser un plateau de taille assurant une attaque ponctuelle multiple et/ou une attaque pleine face du terrain, tout en permettant de mettre en oeuvre le procédé de soutènement selon l'invention. Selon cette variante, le plateau de taille comporte, d'une part, un nombre déterminé de buses d'injection en relation avec la taille du plateau et, d'autre part, des fers judicieusement placés sur le plateau et dont leur extrémité libre s'étend en retrait des orifices d'injection des buses. De préférence, l'amenée de la boue à l'extrémité libre des fers peut être obtenue par la mise en oeuvre de tuyaux raccordés chacun à un canal ménagé dans un fer.

[0037] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.

Revendications

1 - Procédé de soutènement d'un front de taille (T) d'un terrain (1) dans lequel est déplacé en translation un bouclier d'injection (4), du type comportant une chambre d'abattage (5) destinée à contenir de l'air comprimé à une pression déterminée et délimitée par une virole externe (6), une cloison étanche (7) et par le front (T) du terrain revêtu par une boue et taillé par un outil (8) entraîné en rotation,
caractérisé en ce qu'il consiste à injecter la boue en aval du front de taille (T) dans le sens de progression du bouclier, en traversant l'outil de taille (8), pour former, préalablement et/ou simultanément à l'attaque de l'outil, un cake (C) de blocage et d'étanchement du front de taille qui subsiste continuellement après le passage de l'outil en vue d'assurer un blocage et un étanchement continus du front de taille soutenu par l'air comprimé.

2 - Procédé de soutènement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter de la boue au moins dans la partie centrale de l'outil pour former au moins le cake de blocage et d'étanchement.

3 - Procédé de soutènement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à conduire, au travers de l'outil de taille, de la boue qui est injectée en relation avec les fers (22) de l'outil réalisant le front de taille, de manière à former un surcake d'étanchement et de blocage du front de taille réalisée aussi par la boue injectée dans la partie centrale de l'outil.

4 - Procédé de soutènement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à évacuer mécaniquement, de la chambre d'abattage, les déblais du terrain abattus.

5 - Outil de taille pour la mise en oeuvre du procédé de soutènement selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un conduit (16) d'amenée de boue prolongé par une buse (17) de pénétration dans le terrain comportant au moins un orifice (18, 18₁) d'injection de boue, à l'intérieur du terrain,
- et au moins deux porte-outils (20) montés de façon diamétralement opposée sur le conduit, entraînés en rotation et supportant au moins chacun un fer (22) dont l'extrémité libre (23) s'étend dans un plan de taille (P) placé en retrait de l'orifice d'injection de boue.

6 - Outil de taille selon la revendication 5, caractérisé en ce que la buse d'injection (17) est constituée par un tronc de cône.

7 - Outil de taille selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la buse d'injection (17) comporte un orifice d'injection (18) débouchant dans la petite base (17₁) du tronc de cône.

8 - Outil de taille selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la buse d'injection (17) comporte des orifices d'injection (18₁) débouchant sur la surface latérale du tronc de cône.

9 - Outil de taille selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la buse d'injection (17) est pourvue, extérieurement, d'au moins deux dents hélicoïdales (19) d'aide à la pénétration dans le terrain.

10 - Outil de taille selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux dents hélicoïdales (19) sont diamétralement opposées et s'étendent chacune à partir de la petite base (17₁) jusqu'à la grande base (17₂) du tronc de cône, selon une plage angulaire (l) sensiblement égale à 90 degrés.

11 - Outil de taille selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité libre (23) d'au moins un fer comporte une rainure (24) en "V" orientée sensiblement selon un plan perpendiculaire au plan de rotation (R) de l'outil.

12 - Outil de taille selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des canaux (26) d'amenée de boue débouchant à l'extrémité libre des fers (22).

13 - Outil de taille selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce que les canaux (26) débouchent au fond des rainures (24) des fers.

14 - Outil de taille selon la revendication 5, caractérisé en ce que les fers (22) sont décalés symétriquement par rapport à un plan (U) perpendiculaire au plan de rotation (R) de l'outil d'une mesure angulaire (d).

15 - Plateau de taille, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux outils de taille conformes aux revendications 5 à 14, permettant d'assurer une attaque ponctuelle multiple et/ou une attaque pleine face du terrain.

16 - Bouclier d'injection, caractérisé en ce qu'il comporte un outil de taille selon l'une des revendications 5 à 14.

17 - Bouclier d'injection, caractérisé en ce qu'il comporte un plateau de taille selon la revendication 15.

Dessins