Brevet FR2320416A1 — publié le 19770304

ba présente invention a essentiellement pour objet une machine ou installation permettant la construction d'un tunnel. Plus particulièrement, cette machine est conçue pour exécuter ou faciliter au maximum toutes les opérations nécessaires à la construction du tunnel sus-mentionné, la partie avant de la machine comportant les moyens de forage et la partie arrière laissant derrière elle une structure tubulaire en béton formant le gros oeuvre du tunnel. La construction d'un tunnel peut poser des problèmes très différents suivant la nature du sous-sol dans lequel on travaille. Par exemple, lorsqu'on a affaire à une roche très dure (région montagneuse), la progression est généralement lente et difficile mais le tunnel une fois creusé ne nécessite pratiquement pas de structure de soutien, les risques d'éboulements étant faibles. En revanche, pour un terrain non rocheux, les problèmes sont exactement opposés, la progression étant très rapide mais les risques d'éboulements pendant la construction même du tunnel étant grands et nécessitant l'installation immédiate de structuresde soutien provisoire, avant et pendant l'édification d'un solide ouvrage de soutènement définitif, généralement en béton. Pour ce dernier type de tunnel, on a déjà essayé de construire une machine spécialement adaptée effectuant séquentiellement toutes les opérations nécessaires à la construction du tunnel : progressant dans le sous-sol, maintenant en place le terrain autour du dernier tronçon creusé pendant le temps nécessaire à l'édification de la structure de soutènement définitive, etc... ; de telles machines existent mais elles sont toutes caractérisées par une très grande complexité de construction et d'utilisation et par un prix de revient qui en réduisent considérablement l'intérêt dans de nombreux cas. La machine selon la présente invention est précisément remarquable par la très grande simplicité de sa structure et par sa très grande robustesse. Cette machine est en outre d'une très grande efficacité parce qu'elle fonctionne suivant un cycle d'opérations qui en rend la progression très rapide et pratiquement automatique, dans un sous-sol meuble, pour lequel elle est plus particulièrement conçue, où la machine peut progresser par poussage hydraulique. Dans cet-esprit, l'invention concerne plus particulièrement une machine pour la construction d'un tunnel, caractérisée en ce qu'elle comprend - une structure de pénétration - une première carcasse de soutènement provisoire, sensiblement tubulaire, prolongeant vers l'arrière ladite structure de pénétration , - une seconde carcasse de soutènement provisoire, sensiblement tubulaire, dont au moins une partie est susceptible de pénétrer longitudinalement à l'intérieur de ladite première carcasse de soutènement provisoire - une troisième carcasse de soutènement provisoire, sensiblement tubulaire et formant élément de coffrage externe, montée à l'arrière de ladite seconde carcasse de soutènement provisoire - un jeu de vérins de manoeuvre, et - des moyens pour transmettre l'effort de poussée développé par lesdits vérins de manoeuvre à l'ensemble formé par ladite structure de pénétration et par ladite première carcasse de soutènement provisoire, puis à l'en- semble par lesdites seconde et troisième caracasses de soutènement provisoire, séquentiellement. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparat- tront mieux au cours de la lecture de la description explicative qui va suivre d'une machine selon l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - les figures 1 à5 représentent schématiquenent en coupe une machine pour la fabrication d'un tunnel, selon l'invention, à différents stades caractéristiques d'un cycle complet de son fonctionnement ;; - la figure 6 représente une variante de la dernière phase du cycle de fonctionnement précité, avec des éléments de structure supplementaires nécessaires pour sa mise en oeuvre , - la figure 7 est une coupe VII-VII de la figure l , - la figure 8 est une coupe VIII-VIII de la figure I ; - la figure g est une coupe IX-IX de la figure 1 , et - la figure 10 est une coupe X-X de la figure 1. La machine selon l'invention représentée sur les dessins se compose essentiellement d'une structure de pénétration 11, d'une première carcasse de soutènement provisoire 12, d'une seconde carcasse de soutènement provisoire 12 et d'une troisième carcasse de soutènement provisoire 14 formant élément ae coffrage externe. Sur l'exemple représente, la structure de pénétration et les différentes carcasses sont sensiblement tubulaires à sections circulaires, ce qui détermine la forme du tunnel, cependant il est clair que la section transversale de tous ces éléments tubulaires peut être modifiée pour engendrer un tunnel d'une coupe transversale différente, non circulaire.La structure de pénétration Il se compose essentiellement d'une masse tubulaire de béton 15, à profil d'attaque 16 effilé renforcé par une couronne d'attaque 17 en acier. La masse ae béton 15 est munie d'une enveloppe métallique de protection 18 qui se prolonge vers l'arrière par une partie cylindrique 19 servant d'élément de liaison avec ladite première carcasse de soutènement provisoire 12. Celle-ci prolonge vers l'arrière ladite structure de pénétration Il et a sensiement le meme diamètre externe. Elle est essentiellement constituée de deux enveloppes coaxiales 20a et 20o, respectivement externe et interne, assemblées au moyen de nervures de rigidité longitudinales 2l (visibles sur les figures 9 et 10) définissant des passages d'injection 22 d'un matériau de remplissage quelconque à consistance pâteuse 23, par exemple de l'argile. L'enveloppe externe 19 est renie de trous 24 (figures 9 et 10) pour le tggraissage" du terrain 25 au moment du déplacement des différentes parties consécutives de la machine selon l'invention. Une paroi annulaire d'appui 26 est fixée aux deux enveloppes 20a et 20b et s'étend radialement vers l'intérieur parallèlement à une autre paroi d'appui 27 de la structure de pénétration 11, constituée par la partie postérieure de l'enveloppe 18. Une partie cylindrique 30 est fixée à l'avant de la paroi 26 dé façon à pénétrer à l'intérieur de la partie cylindrique 19 pour former le logement de deux joints annulaires d'étanchéité 31 et 32. En outre, une pluralité de petits vérins de direction 35, formant articulation commandée entre la structure 11 et la carcasse 12, sont intercalés entre les parois 26 et 27. ha plus grande partie cylindrique 37 de la seconde carcasse 13 a un diamètre inférieur à celui de l'enveloppe 20b, ce qui lui permet de glisser longitudinalement à l'intérieur de celle-ci,un joint annulaire glissant 38 étant prévu par exemple à l'extrémité arrière de l'enveloppe 20b. La partie cylindrique 37 est munie à l'avant d'une paroi annulaire d'appui 39 et se prolonge vers l'arrière par une partie cylindrique plus courte 40, de diamètre égal à celui de l'enveloppe 20a. Une plaque annulaire de renforcement 41 définit avec la partie cylindrique 40 un passage annulaire d'injection 42 pour du matériau de remplissage, qui peut être ainsi distribué tout autour de la partie cylindrique 37 au moyen de trous d'injection 43.La carcasse 13 comporte une seule enveloppe (essentiellement la partie cylindrique 37) mais celle-ci est renforcée intérieurement par des fers longitudinaux de renforcement 45 et des goussets 46. La troisième carcasse 14 est très semblable à la première, elle comporte également deux enveloppes coaxiales 48a et 48b, respectivement externe et interne, assemblées au moyen de nervures de rigidité longitudinales 49 (visibles sur les figures 7 et 8) définissant des passages d'injection 50 pour le même matériau à consistance péteuse 23. L'enveloppe externe 48a a sensiblement le même diamètre que l'enveloppe 20a et la partie 40 de la carcasse 13. De plus, elle est munie de trous 51 (figures 7 et 8) de "graissage du terrain 25. Une paroi annulaire 52 est fixée à l'avant, transversalement aux deux enveloppes 48a et 48b. Une partie cylindrique 53 est fixée à l'avant de la paroi 52 de façon à pénétrer à l'intérieur de la partie cylindrique 40 pour former le logement de deux joints annulaires d'étanchéité 54 et 55. L'enveloppe 48b forme plus particulièrement l'élément de coffrage externe précité de la structure tubulaire de soutènement en béton 56 du tunnel représenté en cours de construction sur les dessins. Un élément de coffrage interne 47 de cette mdme structure de soutènement 56 est constitué par l'assemblage d'un tronçon cylindrique 57 et d'une paroi annulaire 58. Un joint annulaire glissant 59 est prévu à la partie supérieure de la paroi 58 pour assurer l'étanchéité du coffrage tubulaire 60 de coulage du béton, lorsque celui-ci se trouve défini au cours des différentes phases de fonctionnement de la machine, par des positions respectives adéquates entre la carcasse 14 et l'élément de coffrage interne 47 ; c7est-à-dire plus particulièrement la position représentée sur la figure 5. Lesdites deuxième et troisième carcasses sont reliées entre elles par plusieurs tirants 61 montés avec jeu entre la paroi 52 et une autre paroi 62 prolongeant radialement vers l'intérieur la partie cylindrique 40, grâce à des ouvertures de plus grand diamètre 63 de ces parois. Ainsi se trouve constituée une articulation libre entre lesdites carcasses 13 et 14, laquelle permettra à la carcasse 14 d'etre en-tira4née par la carcasse 13 lors de la progression de la machine dans le sous-sol. La paroi 58 constitue en outre (tout comme les parois 26 et 39) une paroi annulaire d'appui pour un jeu de six vérins de manoeuvre 65à grande élongation. Les corps 66 des vérins de manoeuvre sont fixés à la paroi 58 et les tiges 67 de ces vérins peuvent agir, par l'intermédiaire de butées transversales 68 montées à leurs extrémités, soit sur la paroi 26 soit sur la paroi 39 grace à des moyens qui seront décrits plus loin. I1 est clair cependant que la position des vérins peut être inversée, la tige 67 de ces vérins devenant solidaire de la paroi 58.Il découle avec évidence de ce qui précède que, lorsque les tiges des vérins 65 sont en appui sur la paroi 26, l'effort de poussée développé par ceu.-ci est transmis à 1' ensemble formé par la structure de pénétration il et la carcasse 12 pour faire progresser ainsi par poussage la machine dans le sous-sol 25, tandis que, lorsque les tiges de vérins 65 sont en appui sur la paroi 39, lteffort de poussée développé par ceux-ci est transmis à l'ensemble formé par les carcasses 13 et 14 de façon à faire pénétrer la partie cylindrique 37 à l'intérieur de l'enveloppe 20b.Ta paroi 58 comporte en outre un orifice d'injection de béton 70 (figure 7) et un organe de sécurité 71, par exemple une membrane élastique sensible à la compression du béton fraichement coulé dans le coffrage 60, sur lequel prennent appui les vérins 65. Les passages d'injection 22, 42 et 50 sont alimentés par plusieurs conduits radiaux 72, eux-m8mes reliés à des moyens d'alimentation en matériau de remplissage (argile) non représentés. Les corps de vérins 66 qui sont fixés à la paroi 58 traversent librement les parois 52 et 62 ainsi que d'autres parois 73, 74 et 75 s'étendant radialement vers l'intérieur, grâce à des ouvertures de plus grand diametre 78 (figure 8) pour ne pas gêner la libre articulation entre les carcasses 13 et 14. Les corps des vérins sont maintenus et guidés au moyen de galets de roulement 79 élastiquement rétractables. Selon une caractéristique importante de l'invention, la paroi d'appui 39 comporte des fenêtres 80 de passage des tiges 67 des vérins 65. Ces fenetres sont en outre susceptibles autre obturées par des volets 81 respectifs. Ces volets sont dans ce but montés coulissants entre deux rails circulaires 82 et 83 solidaires de la paroi 39 et sont actionnés par de petits vérins 84 ; chaque vérin 84 étant articulé entre un point 85 du volet et un point fixe 86 de la paroi 39. De plus, la face postérieure de la paroi 26 est munie de plusieurs moyens de verrouillage en traction des extrémités des tiges 67 des vérins 65. Ces moyens sont constitués dans l'exemple représenté (figure 10) par une pluralité de paires 90-de barreaux métalliques rigides 91 montés coulissants entre deux rails circulaires 92 et 93 solidaires de la paroi 26.Les barreaux 91 de chaque paire 90 peuvent ainsi entre écartés ou rapprochés de part et d'autre de la trajectoire de la tige 67 correspondante, pour retenir (dans la position rapprochée) les butées 68 qui permettent ainsi ux vérins 65 de travailler en traction. Une plate-forme de travail 98 (visible sur la figure 8) sur laquelle peuven'c être montées des installations nécessaires à la construction du tunnel, comporte des galets de roulement 96 lui permettant de maintenir son horizontalité en se déplaçant le long de rails circulaires 97 montés aux extrémités internes des parois 62, 73, 74 et 75. Le fonctionnement de la machine qui vient d'être décrit découle de façon évidente de la description qui précède. On considère, en référence à la figure i, la première phase du cycle d'opération effectué3-aplachine pour progresser dans le sous-sol 5 d'une longueur correspondant à l'élongation maximum des vérins 65. Dès que le béton a été coulé dans le coffrage 60, on commande l'actionnement des vérins 65 et les tiges 67 de ces vérins transmettent leurs mouvements à la carcasse 12 et, par l'intermédiaire des vérins de direction 35, à la structure de pénétration Il qui s'enfonce dans le sous-sol 25. Pour cela, les fenêtres 80 de la paroi annulaire d'appui 39 sont ouvertes de sorte que les tiges de vérins traversent liDrement cette paroi 39.Le terrain est déblayé au fur et à rnesure de la progression de la structure de pénétration li, par l'intérieur de la machine, grace à des moyens d'évacuation non représentés. Les vérins 35, qui ne font normalement que transmettre à la structure 11 le mouvement des vérins 65, peuvent être réglés pour présenter de petites différences d'élongation les uns par rapport aux autres, engendrant une légère inclinaison de la structure de pénétration Il par rapport à la carcasse 12. C'est de cette lançon qu'on peut amorcer un virage ou une pente dans le tracé du tunnel en construction. Pendant toute la phase de poussage de la carcasse 12, de l'argile est injectée par les passages d'injection 22 et 42 pour combler tout l'espace annulaire laissé libre par la carcasse 12 autour de la carcasse 13 et éviter ainsi les affaissements du terrain. La progression de la carcasse 12 est également facilitée par le graissage du terrain provoqué par les injections latérales d'argile à l'extérieur de l'enveloppe 20a, grâce aux trous 24 de celle-ci. Il est à noter qu'il n'est pas nécessaire que le béton coulé dans le coffrage 60 soit complétement solidifié pour procéder au poussage de l-a structure de pénétration 11.Au contraire, le poussage sur le breton encore pâteux est avantageux car il permet une compression efficace de celui-ci qui améliore la résistance mécanique de la structure de soutènement résultante En outre, le gain de temps est appréciable. Lorsque les vérins 65 ont atteint leur élongation maximum, on aboutit à la situation représentée sur la figure 2. A ce moment, les tiges de vérins sont ramenées à leurs positions initiales et les fenêtres 80 de la paroi annulaire d'appui 39 sont obturées par les volets 81 (actionnement des vérins 84). On est alors dans la position représentée sur la figure 3. A ce moment, commence une nouvelle phase de poussage, mais cette fois il s'agit de poussage de l'ensemble des carcasses 13 et 14.Bien entendu, pendant toute cette nouvelle phase au cours de laquelle on déplace les carcasses 13 et 14, de l'argile est injectée par les passages d'injection 50 vers le dernier tronçon moulé de la structure de soutènement 56 du tunnel en construction : avec "graissage simultané du terrain, grâce aux trous 51 de l'enveloppe externe 48a pour faciliter le déplacement. A la fin de cette nouvelle phase de poussage (figure 4) on ouvre de nouveau les fenêtres 80 et on actionne les vérins 65 pour que les butées 68 viennent une nouvelle fois en application contre la paroi 26. Cependant, cette fois, on verrouille les extrémités des tiges de vérins en rapprochant l'un vers l'autre les barreaux 91 de chaque paire 90 (figure 4).Ensuite, en rétractant une nouvelle fois les vérins 65, ce sont cette fois les corps de vérins qui vont se délacer puisque les butées 68 des tiges 67 sont retenues par les barreaux 91. De cette façon, on ramène l'élément de coffrage interne 47 à l'intérieur de la carcasse 14 (figure 5) pour reconstituer le coffrage tubulaire 60 et procéder au coulage d'un autre tronçon de la structure de soutènement 56. On est alors parvenu à la phase initiale précédemment décrite d'un nouveau cycle de fonctionnement de la machine selon l'invention. La figure 6 montre une variante permettant de gagner du temps dans la construction du tunnel. On peut remarquer en effet que, pour pouvoir procéder à l'avancement de l'élément de coffrage interne 47, il faut que le béton qu'il contient soit solidifié. Si la progression du sous-sol est très rapide, cette solidification peut ne pas être effective au moment où l'on se trouve en mesure de rétracter une dernière fois les vérins 65. Dans ce cas, il suffit de disposer à l'intérieur du dernier tronçon de tunnel en formation des segments 95 d'élément de coffrage interne, rétractables, et susceptibles d'être raccordés bout à bout sur une longueur dépendant à la fois de la vitesse de solidification du béton et de la vitesse de progression de la machine dans le sous-sol.Ces éléments doivent être rétractables pour pouvoir par exemple faire passer le dernier segment 95i devenu inutile par suite de la solidification complète du béton à cet endroit, au-devant du segment 95a, là où le béton est encore frais. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation et à la variante de détails qui vient d'être donnée uniquement à titre d'exemple. De nombreuses modifications peuvent être apportées. En particulier, le sens des vérins 35 ou 65 peut être inversé de même que la position des parois d'appui de ces vérins ainsi que l'emplacement des fenêtres à volets d'obturation et des systèmes de verrouillage décrits. Le poussage de la structure de pénétration 11 peut être effectué par application directe des tiges de vérins 65 sur la surface d'appui 27 Si la surface 26 est elle-même pourvue de fenêtres de passage pour les tiges de vérins. C'est dire que l'invention recouvre tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVEEDICATIONS 1. Machine pour la construction d'un tunnel, caractérisée en ce quelle comprend - une structure de pénétration, - une première carcasse de soutènement provisoire, sensiblement tubulaire, prolongeant vers l'arrière ladite structure de pénétration, - une seconde carcasse de soutènement provisoire, sensiblement tubulaire, dont au moins une partie est susceptible de pénétrer longitudinalement à l'intérieur de ladite première carcasse de soutènement provisoire, - une troisième carcasse de soutènement provisoire, sensiblement tubulaire et formant élément de coffrage interne, montée à l'arrière de ladite seconde carcasse de soutènement provisoire, - un jeu de vérins de manoeuvre, - des moyens pour transmettre l'effort de poussée développé par lesdits vérins de manoeuvre à l'ensemble formé par ladite structure de pénétration et par ladite première carcasse de soutènement provisoire, puis à l'ensemble formé par lesdites seconde et troisième carcasses de soutènement provisoire, séquentiellement. 2. Machine selon la reçendication 1, caractérisée en ce que les vérins de manoeuvre précités prennent appui à l'extrémité avant d'un élément de coffrage interne susceptible de glisser longitudinalement de façon étanche à l'intérieur de ladite troisième carcasse de soutènement provisoire et coopérant avec celle-ci pour définir un coffrage tubulaire de coulage de béton. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens formant articulations commandées, entre ladite structure de pénétration et ladite première carcasse de soutènement provisoire. 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens formant articulations commandées se composent d'une pluralité de vérins de direction intercalés entre ladite structure de pénétration et ladite première carcasse de soutènement provisoire. 5. Machine selon l une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens formant articulation libre entre lesdites seconde et troisième careasses, constitués par exemple d'une pluralité de tirants reliant avec jeu ladite troisième carcasse de soutènement provisoire à ladite seconde carcasse de soutènement provisoire. 6. Machine selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'au moins l'une desdites carcasses de soutènement provisoire et/ou ladite structure de pénétration et/ou ledit élément de coffrage interne possèdent une paroi annulaire d'appui pour les vérins de manoeuvre précités, s'étendant radialement vers l'intérieur. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'une au moins desdites parois annulaires est munie de fenêtres de passage des extrémités libres desdits vérins de manoeuvre et de volets mobiles d'obturation desdites fenêtres. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits volets sont montés coulissants entre des rails solidaires de ladite paroi annulaire et qu'un vérin d'actionnement est monté, éventuellement articulé, entre chaque volet, et un point d'appui de ladite paroi annulaire. 9. Machine selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'une au moins desdites parois annulaires est munie de moyens de verrouillage en traction des extrémités libres des vérins de manoeuvre précités. o. machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de verrouillage sont constitués par des paires de barreaux rigides montés coulissants entre des rails solidaires de ladite paroi annulaire, les barreaux de chaque paire pouvant être écartés ou rapprochés de part et d'autre de la trajectoire de l'extrémité libre du vérin de manoeuvre correspondant et que ladite extrémité libre est munie d'une butée transversale susceptible d'entrer en contact avec les barreaux rapprochés de ladite paire. 11. machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une au moins des carcasses de soutènement provisoire précitées comprend deux enveloppes coaxiales assemblées au moyen de nervures de rigidité. 12. Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que lesdites nervures sont longitudinales et définissent des passages d'injection d'un matériau de remplissage, débouchant par exemple à l'extrémité arrière de ladite carcasse de soutènement provisoire, lesdits passages d'inJec- tion étant connectés à un ou plusieurs conduits d'alimentation. 13. Machine selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'enveloppe externe de ladite carcasse de soutènement provisoire est percee de trous pour la distribution dudit matériau de remplissage. 14. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure de pénétration précitée est une masse tubulaire de béton, à profil d'attaque effilé éventuellement renforcé, ladite masse de béton étant de préférence munie d'une enveloppe métallique de protection. 15. Machine selon l'une des revendications 6 à 14, caractérisée en ce que la paroi annulaire d'appui précitée de l'élément de coffrage interne précité est munie d'un orifice d'injection de béton et de préférence d'un organe de sécurité sensible à la compression du béton coulé dans le coffrage tubulaire précité. 16. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par des segments d'élément de coffrage interne, rétractables, susceptibles d'être raccordés bout à bout.