Dispositif de forage et d'ancrage et procédé de mise en place de tirants d'ancrage

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif d'ancrage et un procédé de mise en place de tirants d'ancrage destinés à assurer la stabilité d'un ouvrage par rapport à un terrain, comportant le forage d'un trou jusque dans une zone d'ancrage dans le terrain, l'introduction de câbles et/ou d'autres armatures de tirant dans le trou de forage, et l'injection par ledit trou de forage d'une suspension de ciment de façon à former un corps de scellement dans ladite zone d'ancrage.

[0002] Les procédés usuels de ce type nécessitent, pour la formation du corps de scellement, plusieurs injections de ciment, par exemple au moyen d'injections par manchettes, ces injections devant être espacées dans le temps et nécessitant ainsi généralement plusieurs jours pour la formation du corps de scellement. D'autre part, la force d'utilisation reste limitée, notamment dans des terrains argileux ou limoneux, du fait notamment des dimensions transversales restreintes du corps de scellement réalisable par les procédés connus, du mauvais contrôle de la formation de ce corps de sa composition qui reste essentiellement constituée par le ciment injecté.

[0003] Le document EP-A-0413676 décrit un procédé du type susmentionné selon lequel on utilise un outil qui comporte une partie d'outil de forage et présente un canal axial prolongeant un canal d'injection, une valve étant disposée à l'entrée dudit canal axial de manière à permettre de fermer ladite entrée avant l'injection d'une suspension de ciment sous pression par le canal central et ledit canal axial.

[0004] Le document EP 0 770 734 décrit un procédé selon lequel on effectue le forage au moyen d'un tube muni, à son extrémité frontale, d'un outil de forage et d'injection, ce tube formant un canal d'injection de ciment et ledit outil comportant au moins deux buses latérales orientées dans des directions opposées, et comportant une partie d'outil de forage présentant un canal axial prolongeant ledit canal d'injection, une valve étant disposée entre l'entrée dudit canal axial et lesdites buses, de manière à permettre de fermer ladite entrée avant l'injection de la suspension de ciment sous pression, que l'on injecte ladite suspension de ciment dans le terrain environnant à travers lesdites buses, radialement audit tube, avec une pression supérieure à environ 40 MPa (400 bars), en faisant tourner ce tube autour de son axe et en le remontant, de façon continue ou discontinue, sur une longueur de scellement déterminée, que l'on arrête ensuite l'injection et que l'on remonte le tube entièrement, lesdits câbles et/ou autres armatures de tirant étant introduits dans le trou de forage, avant le durcissement du ciment, jusque dans le corps de scellement en formation.

[0005] Ce procédé permet de raccourcir considérablement le temps nécessaire pour la mise en place des tirants et de réaliser un bon ancrage.

[0006] La demande WO 98/58132 ainsi que le brevet US-A-3.973.409 décrivent chacun un procédé et un dispositif de pose d'ancrages dans lesquels le tirant est constitué d'une barre rigide, le ciment liquide destiné à former le scellement étant introduit dans l'espace intérieur du tube de forage, directement autour dudit tirant.

[0007] L'invention vise à fournir un dispositif d'ancrage et un procédé de mise en place de tirants d'ancrage améliorés, notamment un dispositif et un procédé, respectivement, du type susmentionné où l'ancrage est encore amélioré et l'opération de mise en place de tirants d'ancrage simplifiée et plus rapide.

[0008] A cet effet, le procédé selon l'invention comporte l'opération d'effectuer le forage au moyen d'une colonne de forage comme dans la revendication 1. attaché à un ou plusieurs câbles de tirant ou d'autres armatures de tirant, que l'on injecte ladite suspension de ciment dans le terrain environnant et autour des armatures de tirant et de l'outil de forage, et que l'on remonte le tube entièrement en laissant l'outil de forage dans le corps de scellement.

[0009] Le dispositif de forage et d'ancrage comporte une colonne comprenant un tube de forage, un outil de forage monté à l'extrémité du tube et un ou plusieurs câbles et/ou d'autres armatures de tirant, comme dans la revendication 3.

[0010] L'outil d'injection est de préférence muni d'au moins deux buses latérales orientées dans des directions opposées et d'au moins une buse d'extrémité orientée obliquement vers l'axe central du tube dans lequel s'étendent les câbles et/ou d'autres armatures de tirant. L'outil de forage comporte une partie d'accouplement qui s'enfile dans le canal axial du tube de façon axialement séparable.

[0011] Pendant l'opération de forage, de l'eau sous pression est amenée par un canal axial jusqu'à l'outil de forage. Le canal axial peut être formé par un tube intérieur coaxial au tube de forage. Le tube intérieur peut être muni d'une valve, par exemple dans sa partie supérieure, pour contrôler l'apport de l'eau sous pression à l'outil de forage pendant l'opération de forage et pendant l'opération de la remontée de la colonne de forage après formation du corps de scellement.

[0012] L'espace entre le tube de forage et le tube intérieur peut former le canal d'injection du ciment.

[0013] La buse d'extrémité est inclinée à un angle aiguë par rapport à la direction axiale, par exemple à 30°, de façon à ce que le jet de suspension de ciment sortant de cette buse applique une composante de force dans la direction axiale sur l'outil de forage. Ceci permet la séparation de l'outil de forage du tube de forage pendant la formation du corps de scellement. D'autre part, cette buse permet d'assurer que les câbles et/ou d'autres armatures de tirant soient complètement noyés dans le corps de scellement.

[0014] Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent ainsi de réaliser un très bon ancrage avec très peu d'opérations et une grande rapidité.

[0015] L'invention permet aussi d'éviter des problèmes qui peuvent être liés à la réintroduction d'armatures de tirant dans le trou de forage des procédés conventionnels.

[0016] En outre, l'attachement des armatures de tirant à l'outil de forage et l'insertion au préalable dans le tube de forage, c'est-à-dire avant l'opération de forage, permettent d'optimiser la densité d'armatures placées dans le canal axial du tube.

[0017] L'attachement de l'outil de forage à l'extrémité des armatures de tirant améliore aussi la retenue de ces armatures dans le corps de scellement.

[0018] Des caractéristiques, buts et avantages du procédé selon l'invention ressortiront plus clairement de la description donnée ci-après à titre d'exemple, illustré dans les dessins annexés dans lesquels:

La Fig. 1 est une vue en coupe schématique d'un tirant d'ancrage placé dans un terrain;

la Fig. 2 est une vue, en coupe axiale, d'une extrémité frontale d'un dispositif de forage et d'ancrage;

la Fig. 3 est une vue, en coupe axiale, d'une partie de fusible mécanique, à proximité de la tête d'injection, d'un dispositif de forage de l'invention;

la Fig. 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la Fig. 3; et

la Fig. 5 est une vue simplifiée, en coupe axiale, d'un dispositif de forage selon l'invention.

[0019] Selon la représentation schématique de la Fig. 1, un ouvrage à ancrer 1 s'appuie sur une partie de terrain 2 et est stabilisé par un tirant d'ancrage, désigné dans son ensemble par la référence 3.

[0020] Ce tirant d'ancrage comporte, de manière connue, par exemple des câbles de tirant 4 constitués par des torons dont une extrémité est fixée dans une tête de tirant 5 en appui sur l'ouvrage 1.

[0021] Les câbles de tirant 4 sont disposés dans un trou de forage 6 sur une certaine longueur libre et sont solidaires d'un corps de scellement 7 sous forme d'un bulbe formé autour de la partie inférieure du trou de forage par injection de ciment sous haute pression dans le terrain environnant. La Fig. 1 ne donne qu'une représentation schématique d'un exemple de tirant, la technique d'ancrage étant bien connue en elle-même.

[0022] La présente invention consiste à utiliser, par exemple, une colonne de forage comprenant un tube de forage 8 muni d'un outil d'injection 9 couplé à un outil de forage 12 selon la Fig. 2 pour percer, dans un premier temps, le trou 6 sur une longueur correspondant à la longueur libre souhaitée et la longueur de scellement qui est essentiellement celle du bulbe 7 de la Fig. 1. L'outil de forage 12 est attaché aux extrémités des câbles de tirant 4, par exemple par des soudures 17 ou par des moyens de serrage mécaniques tels que des clavettes. L'outil de forage 12 et les câbles de tirant 4 sont enfilés dans le canal central 10 d'un tube intérieur 21 coaxial avec le tube de forage 8, avant l'opération de forage. Le tube de forage 8 a une longueur, sans séparations, au moins équivalente à la longueur des câbles de tirant. L'outil de forage 12 est couplé à l'outil d'injection 9, de façon axialement séparable, par des dents complémentaires 18, ou d'autres moyens mécaniques connus permettant l'entraînement en rotation de l'outil de forage 12 par l'outil d'injection 9. L'outil de forage 12 comporte préférablement une partie de tube 19 qui s'enfile dans le canal central 10 pour permettre ses positionnement et retention radiaux par rapport à l'outil d'injection 9.

[0023] L'opération de forage est accompagnée d'une injection d'eau ou d'un mélange d'eau et d'air par le canal central 10 et son prolongement 11 dans l'outil d'injection. L'eau est injectée dans le trou de forage par un ou plusieurs canaux 20 s'étendant axialement à travers l'outil de forage.

[0024] Lorsque le forage est terminé, l'on injecte dans le terrain une suspension de ciment à une pression très élevée, par exemple de 450 bars, à travers une ou plusieurs buses d'extrémité 16 inclinées et deux ou plusieurs buses latérales 13, 14 de faible diamètre, soit 1,5 à 2 mm, communiquant avec un ou plusieurs canaux axiaux 15 dans l'outil d'injection 9. Les canaux d'injection 15 sont reliés à un canal d'injection 15' formé entre la paroi du tube de forage 8 et la paroi du tube intérieur 21. Une valve (non-illustrée) est agencée dans la partie supérieure du tube de forage pour fermer le canal central 10 lors de l'injection de ciment. Durant cette opération, le tube est entraîné en rotation autour de son axe et est retiré lentement, de sorte que les jets produits par les buses 13 et 14 dans des directions radiales opposées pénètrent dans le terrain en créant un bulbe essentiellement cylindrique, tel que représenté à la Fig. 1.

[0025] La pression d'injection se situe préférablement entre 500-800 bars. Lors de l'injection, il se peut que les buses d'injection 13, 14, 16 se bouchent par des impuretés ou des éléments grossiers dans le ciment entraînant des surpressions dans le canal d'injection 15'. La pompe d'injection du ciment peut être munie d'une électro-vanne pour déclencher la pompe lors d'une surpression. Toutefois, lors d'une très brusque augmentation de pression, il est possible que l'électro-vanne n'a pas le temps de se déclencher suffisamment tôt pour éviter l'écrasement du tube intérieur. Pour parer à ce problème, la colonne de forage est munie d'une partie de fusible mécanique 22 comprenant une partie de tube de forage 8' et une partie de tube intérieur 21' formant entre elles un canal d'injection 15'. La partie de fusible mécanique 22 est disposée à proximité de la tête d'injection 23, de sorte qu'en cas de déformation, le fusible peut être facilement échangé sans sortir la colonne de forage du trou avant la fin de l'opération d'injection du ciment. La partie de tube intérieur 21' de la partie de fusible 22 a une épaisseur de paroi plus faible que le tube intérieur 21 de la colonne de forage ou un autre affaiblissement, de façon que la partie de tube intérieur 21' s'écrase plus facilement que le tube intérieur 21. L'écrasement de la partie du tube intérieur 21 cause l'échappement de la pression dans le canal central 10, évitant un dommage au tube intérieur principal 21.

[0026] Lorsque l'on remonte le tube de forage 8, y compris le tube intérieur 21, l'outil de forage 12 ainsi que les câbles de tirant restent en place et deviennent solidaires du bulbe 7 lors du durcissement de celui-ci.

[0027] A cet effet, la buse d'extrémité inclinée 16 projette un jet contre l'outil de forage 12 de façon à ce que l'outil est poussé vers le fond du trou de forage pendant que l'on remonte l'outil d'injection 9, séparant ainsi l'outil de forage de l'outil d'injection. La buse d'extrémité étant inclinée vers le canal central 10, elle permet aussi d'assurer un très bon remplissage du trou de forage par le ciment injecté, de sorte que les câbles de tirant sont totalement noyés dans le corps de scellement. En outre, l'outil de forage attaché aux extrémités des câbles de tirant permet d'améliorer leur ancrage.

[0028] Lorsque le corps de scellement a été formé sur la longueur voulue, on extrait l'outil d'injection du trou de forage.

[0029] Ainsi que cela ait été mentionné plus haut, la présente invention permet dans tous les cas d'application de raccourcir et de simplifier la procédure de mise en place des tirants d'ancrage, tout en fournissant un ancrage fiable, bien contrôlé et à grande résistance dans tous les types de terrain.

Revendications

1. Procédé de mise en place de tirants d'ancrage selon lequel on effectue le forage au moyen d'un tube de forage (8) muni, à son extrémité frontale, d'un outil d'injection (9) et d'un outil de forage (12) couplé à l'outil d'injection, ce tube de forage ayant un canal d'injection de ciment (15,15') et ledit outil d'injection comportant au moins une ou plusieurs buses (13, 16, 16) permettant l'injection d'une suspension de ciment sous pression dans le terrain environnant pour former un corps de scellement, l'outil de forage étant attaché à un ou plusieurs câbles de tirant (4) ou d'autres armatures de tirant, ladite suspension de ciment étant injectée dans le terrain environnant et autour des armatures de tirant et de l'outil de forage, le tube de forage étant entièrement remonté en laissant l'outil de forage dans le corps de scellement, caractérisé en ce que l'amenée de ladite suspension de ciment vers l'outil d'injection se fait par ledit canal d'injection, formé entre une paroi interne dudit tube de forage et une paroi externe d'un tube intérieur (21, 21') disposé coaxialement audit tube de forage.

2. Procédé de mise en place de tirants d'ancrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on tourne le tube de forage (8, 8') autour de son axe central lors de son remontage.

3. Dispositif de forage et d'ancrage comportant un tube de forage (8), un outil de forage (12) monté à l'extrémité du tube de forage et un ou plusieurs câbles (4) et/ou d'autres armatures de tirant attachés à l'outil de forage, de sorte que l'outil de forage reste dans un corps de scellement (7) formé par injection de ciment dans le terrain environnant d'un trou de forage, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un tube intérieur (21, 21') coaxial avec le tube de forage, formant entre eux un canal d'injection de ciment, le tube intérieur formant un canal central (10) dans lequel s'étendent le câble et/ou d'autres armatures de tirants.

4. Dispositif de forage et d'ancrage selon la revendication 3; caractérisé en ce qu'il comporte une partie de fusible mécanique (22) munie d'une partie de tube de forage (8') et d'une partie de tube intérieur (21') coaxiale avec la partie de tube de forage, la partie de tube intérieur (21') de la partie fusible ayant une résistance mécanique à l'écrasement plus faible que le tube intérieur (21).

5. Dispositif de forage et d'ancrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie de fusible mécanique (22) est disposée à proximité de la tête d'injection (23) du dispositif.

6. Dispositif de forage et d'ancrage selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'outil de forage (12) est couplé à un outil d'injection de façon axialement séparable, l'outil d'injection comprenant des buses d'injection de ciment (13, 14, 16).

7. Dispositif de forage et d'ancrage selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il y a au moins deux desdites buses d'injection de ciment qui sont disposées de façon radialement opposée dans l'outil d'injection.

8. Dispositif de forage et d'ancrage selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites buses d'injection disposées de façon radialement opposée sont dirigées de sorte que le ciment est injecté dans une direction essentiellement orthogonale à l'axe central du tube de forage.

9. Dispositif de forage et d'ancrage selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une des buses d'injection (16) est dirigée vers l'outil de forage pour faciliter la séparation de l'outil d'injection de l'outil de forage pendant l'injection de ciment.

Claims

1. Process for forming grout anchors according to which is done the steps of drilling a hole by means of a drilling pipe (8) equipped at its front end with an injection tool (9) and a drilling tool (12) coupled to the injection tool, said pipe having a cement injection channel (15, 15') and said injection tool comprising at least one or several nozzles (13, 14, 16) allowing a cement slurry to be injected under pressure into the surrounding ground in order to form a grout body (7), wherein the drilling tool is attached to one or several anchor cables (4) or other anchoring reinforcements; said cement slurry being injected into the surrounding ground and around the anchoring reinforcements and the drilling tool; withdrawing completely the pipe while leaving the drilling tool in the grout body characterized in that bringing said cement slurry to the the injection tool is done through said injection channel, formed between an inner wall of the drilling pipe and an outer wall of an inner pipe (21) coaxial with said drilling pipe.

2. Process for the placement of grout anchors according to claim 1, characterized in that the drilling pipe (8, 8') is rotated around its central axis while it is withdrawn.

3. Drilling and anchoring device comprising a drilling pipe (8) equipped at its front end with a drilling tool (12) attached to one or several anchor cables (4) or other anchoring reinforcements; such that the drilling tool remains in a grout body (7) formed by cement injection in the ground surrounding a drilling hole (6), characterized in that it further comprises an inner pipe (21, 21') coaxial with the drilling pipe forming between them a cement injection channel, the inner pipe forming a central channel (10) within which the cable and/or other anchoring reinforcements extend.

4. Drilling and anchoring device according to claim 3, characterized in that the device comprises a mechanical safety release part (22) equipped with a portion of drilling pipe (8') and portion of inner pipe (21') coaxial with the drilling pipe portion whereby the inner pipe portion (21') of the safety release part has a mechanical buckling resistance that is lower than the buckling resistance of the inner pipe (21).

5. Drilling and anchoring device according to claim 4, characterized in that the mechanical safety device release part (22) is located close to an injection head (23) of the device,

6. Drilling and anchoring device according to any claims 3 to 5, characterized in that the drilling tool (12) is coupled in an axially separable manner to the injection tool, said injection tool comprising cement injection nozzles (13, 14, 16)

7. Drilling and anchoring device according to claim 6, characterized in that there are at least two of said cement injection nozzles which are arranged in the injection tool in radially opposite manner.

8. Drilling and anchoring device according to claim 7, characterized in that said injection nozzles which are arranged in a radially opposite manner are so oriented that the cement is injected in a direction essentially orthogonal to the central axis of the drilling pipe.

9. Drilling device according to claim 6, characterized in that at least one of the injection nozzles (16) is oriented toward the drilling tool in order to facilitate the separation of the injection tool from the drilling tool during cement injection.

Ansprüche

1. Verfahren zur Platzierung von Felsankern, nach dem die Bohrung mit einem Bohrrohr (8) durchgeführt wird, das an seinem Frontende mit einem Einspritzwerkzeug (9) und einem an das Einspritzwerkzeug gekoppelten Bohrwerkzeug (12) ausgestattet ist, wobei dieses Bohrrohr einem Zementeinspritzkanal (15, 15') hat und das Einspritzwerkzeug mindestens eine oder mehrere Düsen (13, 16, 16) aufweist, die das Einspritzen einer Zementsuspension unter Druck in das umgebende Gelände erlaubt, um einen Zementkörper zu bilden, wobei das Bohrwerkzeug an einem oder mehreren Ankerkabeln (4) oder anderen Ankerarmaturen befestigt ist, wobei die Zementsuspension in das umgebende Gelände und um die Ankerarmaturen und das Bohrwerkzeug eingespritzt wird, wobei das Bohrrohr voll und ganz herausgezogen wird, wobei das Bohrwerkzeug im Zementkörper verbleibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der besagten Zementsuspension zum Einspritzwerkzeug über den besagten Einspritzkanal erfolgt, der zwischen einer Innenwand des besagten Bohrrohrs und einer Außenwand eines Innenrohrs (21, 21') ausgebildet ist, das koaxial zum besagten Bohrrohr angeordnet ist.

2. Verfahren zur Platzierung von Felsankern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrrohr (8, 8') beim Herausziehen um seine Mittelachse gedreht wird.

3. Bohr- und Verankerungsvorrichtung, ein Bohrrohr (8), ein am Ende des Bohrrohrs montiertes Bohrwerkzeug (12) und ein oder mehrere Kabel (4) und / oder andere Ankerarmaturen umfassend, die am Bohrwerkzeug befestigt sind, so dass das Bohrwerkzeug im Zementkörper (7) verbleibt, der durch Zementeinspritzung in das umgebende Gelände eines Bohrlochs gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein Innenrohr (21, 21') koaxial zum Bohrrohr umfasst, die miteinander einen Zementeinspritzkanal bilden, wobei das Innenrohr einen zentralen Kanal (10) bildet, in welchem sich das Kabel und / oder andere Ankerarmaturen erstrecken.

4. Bohr- und Verankerungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen mechanischen Sicherungsabschnitt (22) umfasst, der mit einem Bohrrohrabschnitt (8') und einem mit dem Bohrrohrabschnitt koaxialen Innenrohrabschnitt (21') ausgestattet ist, wobei der Innenrohrabschnitt (21') des Sicherungsabschnitts eine geringere mechanische Druckfestigkeit als das Innenrohr (21) hat.

5. Bohr- und Verankerungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Sicherungsabschnitt (22) in der Nähe des Einspritzkopfs (23) der Vorrichtung angeordnet ist.

6. Bohr- und Verankerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrwerkzeug (12) axial trennbar an ein Einspritzwerkzeug gekoppelt ist, wobei das Einspritzwerkzeug Zementeinspritzdüsen (13, 14, 16) umfasst.

7. Bohr- und Verankerungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der besagten Zementeinspritzdüsen im Einspritzwerkzeug radial gegenüberliegend angeordnet sind.

8. Bohr- und Verankerungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten radial gegenüberliegend angeordneten Einspritzdüsen derart ausgerichtet sind, dass der Zement in einer zur Mittelachse des Bohrrohrs im Wesentlichen rechtwinkligen Richtung eingespritzt wird.

9. Bohr- und Verankerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Einspritzdüsen (16) gegen das Bohrwerkzeug gerichtet ist, um die Trennung des Einspritzwerkzeugs vom Bohrwerkzeug während der Zementeinspritzung zu erleichtern.

Dessins