Brevet FR2395387A1 — publié le 19790119

L'invention est relative aux appareils de forage des sols. Les appareils de forage peuvent se ranger en deux grandes classes. Dans la première, l'outil travaillant directement le sol est relié rigidement et. cinématiquement à l'engin porteur par une sorte de grand mat transmettant le couple et l'effort axial de forage. Dans la seconde, l'outil est simplement porté par 1' engin par exemple par un moyen souple du type câble. Les appareils de la première classe sont volumineux et lourds, en raison de la présence et des fonctions du mât. En outre, ils sont d'une mise en place et d'un maniement complexes. Dans la seconde classe, ltéquipement de forage, qui est suspendu par exemple par câble à l'engin, travaille le sol avec des mâchoires, soit par inertie, soit par raclage, l'effort axial de forage étant fourni soit par le poids de l'équipement, soit par immobilisation de l'équipement contre la paroi du tubage. Les équipements de cette seconde classe ont un rendement limité, surtout en terrain dur. Au surplus, dans les deux classes, l'équipement de forage a une section identique à celle du forage; il se crée donc, dans le cas de forages tubés, en présence de nappes phréatiques, aussi bien-à la descente qu'à la remontée des outils, un effet de piston qui perturbe le terrain et dimlnue l'efficacité. L'invention a principalement pour but de fournir un appareil de forage d'un type nouveau, qui évite les inconvénients précités. A cet effet, l'appareil de forage selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte une benne de forage pesante propre à être portée par l'engin et comprenant au moins deux outils tournants de forage et au moins un moteur d'actionnement des outils, les couples de forage étant fournis par le moteur et l'effort axial de forage étant fourni par le poids de la benne. L'appareil comporte de préférence un moteur d'entraine- ment propre à chaque outil. Les sens de rotation de ces outils sont tels que le couple résultant appliqué sur la benne par réaction du terrain soit nul. ou non nul, suivant le résultat recherché. La benne est avantageusement suspendue à l'engin par un moyen souple du type câble. Suivant le mode de réalisation préféré, les outils sont animés, sur la benne, outre leur mouvement de rotation, d'un mouvement individuel vertical alternatif tel que le poids de la benne ne s'exerce, à un instant donné, que sur un nombre restreint outils, et de préférence sur un seul outil. On comprendra l'invention à l'aide de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig.1 est une vue schématique en élévation de appareil de forage selon l'invention équipant un engin porteur; Fig.2 est une coupe verticale montrant l'intérieur d'une partie de la benne de forage; Fît.3 est une coupe verticale montrant des moyens pour imprimer à chaque outil un mouvement vertical sur la benne; Bit.4 à 8 montrent schématiquement en plan divers modes de répartition des outils; et Fig.9 et 10 montrent deux variantes en coupe verticale. L'appareil selon l'invention, représenté à la fig.1, est destiné à être porté; par exemple par un câble 1 ou analogue, par l'extrémité du balancier 2 d'un engin 3, à roues ou à chenilles. Le balancier 2 fait suite à la flèche 4 et à la pré-flèche 5, ces trois éléments articulés étant actionnés par des vérins 6, 7 et 8 commandés depuis la cabine 9. Sur la pré-flèche 5 de l'en- gin est prévu un treuil 11, également commandé depuis la cabine, pour le câble 1. Celui-ci, à partir du treuil 11, passe sur deux poulies folles 12, 13 montées aux extrémités du balancier 2. De manière analogue, l'appareil selon l'invention pourrait être porté par une grue. A l'extrémité libre du câble 1, située au-delà de la poulie de tête 13, est suspendu, par tout moyen de couplage approprié, l'appareil selon l'invention. Celui-ci se compose essentiellement, comme décrit ci-après, d'une benne 14 portant au moins deux outils 15 de forage et renfermant au moins un moteur d'entrainement des outils 15. Comme le montre la fig.2, qui est une coupe verticale d'une partie de l'appareil selon l'invention, celui-ci est constitué par au moins deux unités modulaires identiques. Chaque unité de forage comporte une enveloppe supérieure étanche 16, un fourreau-cylindrique vertical axial17, s'étendant vers le bas à partir de l'enveloppe 16, un moteur hydraulique 18, solidaire de l'enveloppe 16 et du fourreau 17, dont l'arbre 19 s'étend coaxialement dans le fourreau et en dépasse vers le bas pour la fixation de l'outil 15, un lest 20 disposé autour du fourreau et sur pratiquement toute la hauteur de celui-ci, et un ensemble de tuyaux souples 21 d'alimentation du moteur, ces tuyaux traversant le couvercle 22 de l'enveloppe pour se terminer par des raccords 23.L'arbre 19 sort du fourreau 17 par un roulement étanche 24 tandis qu'un joint 25 est prévu entre le fourreau 17 et le lest pour éviter la remontée des boues et des produits de forage. Le lest 20 et l'enveloppe 16 ont le même diamètre que outil 15 correspondant, de sorte que rien ne dépasse radialement du contour de l'outil 15. L'appareil selon l'invention comporte au moins deux unités telles que décrites ci-dessus. Ces unités sont assemblées à l'aide d'une plaque de montage supérieure26 et d'une plaque de montage inférieure 27 de contours appropriés. La plaque 26 est échancrée en 28 pour le branchement des raccords 23. La plaque 26 est à son tour solidarisée avec une pièce supérieure commune 29 (fiv*1) accrochée au câble 1. Cette pièce 29 forme capot et reçoit un tuyau hydraulique triple souple 30 pour constituer également un répartiteur hydraulique. Le tuyau 30 s1 étend librement le long du câble et passe sur un tambour enrouleur 31 porté par le balancier 2. Le tambour 31 est commandé en rotation depuis la cabine, en fonction de la commande du treuil 11.Le tuyau 30 sort axialement du tambour 31 et est relié à la centrale hydraulique de l'engin (non représentée) La benne 14 est constituée par l'association d'un nombre approprié d'unités de forage. On a illustré aux fig.4 à 8 six agencements possibles. Sur la fig.4, la benne comporte deux unités; sur les fig.5 et 6, elle comporte respectivement trois et quatre unités, régulièrement réparties; sur la fig.6a, elle comporte quatre unités en losange, deux unités opposées étant tangentes entre elles et les deux autres unités étant tangentes aux deux premières unités; sur la fig.7, elle comporte quatre unités alignées; et sur la fig.8, elle comporte sept unités, une au centre et les six autres régulièrement réparties à la périphérie. Les unités de forage sont montées à proximité l'une de l'autre pour que les trajectoires des outils 15 soient très voisines. Ces outils rotatifs ~sont les outils habituels ?dorage (tarAères,eaur :tricnes1etc-..X Chaque outil est entraîné en rotation par son propre moteur. Le couple résistant de forage de chaque outil 15 est transmis à la benne, et le couple résistant résultant sur l'axe géométrique de celle-ci peut être compensé de deux manières : soit par construction, par l'annulation deux à deux des couples sur les outils tournant en sens opposés soit naturellement par la réaction que le terrain oppose à tout déplacement latéral des outils. Pour la réalisation de forages tubés circulaires, comme une partie du terrain n'est pas découpée par la trace des outils (zone située entre le contour du tube et celui des outils), cette partie restante sera détruite soit par descentes et montées successives de la benne, soit en créant sur la benne un couple autour de son axe géométrique, en donnant à tous les outils le même sens de rotation. La présence du tube, qui sert de moyen de guidage à la benne, empêche celle-ci de tourner autour d'un axe autre que son axe géométrique. Dans le cas de forages non tubés, on adoptera de préférence un agencement à un nombre pair d'outils que l'on fera tourner deux à deux en sens inverses pour annuler le couple résultant sur la benne. Toutefois, la rotation de la benne sur elle-même, pendant le forage, nécessitant un défoncement latéral du sol par les outils, on peut envisager d'avoir un couple rd- sultant non nul, insuffisant pour provoquer ce défoncement latéral. L'effort vertical de pénétration des outils dans le sol est assuré par le lest 20. Pendant le forage, la benne est guidée par sa forme allongée, prévue à cet effet. Suivant une variante de l'invention montrée à la fig.3, il est possible de répartir dans le temps l'action des outils 15 de manière que, à tout instant, un nombre réduit d'outils effectue le forage, ce qui est particulièrement important dans le cas de forages de grand diamètre et en terrain dur, et réduit le poids de la benne et la capacité nécessaires de l'engin. Pour cela, on prévoit des moyens pour donner à chaque outil sur la benne, outre son mouvement de rotation, un mouvement vertical alternatif. On peut, comme montré à la fig.3, utiliser un syste- me à came. L'ensemble constitué par le moteur 18, le fourreau 17, l'arbre 19 et l'outil 15 peut se déplacer verticalement, sur la benne, sous l'action d'une came 32 portée par l'enveloppe 16, en synchronisme avec la rotation de l'arbre 19.L'arbre 19 dépasse au-dessus du moteur et porte un pignon d'attaque 33 calé. Celui-ci engrène avec une roue intermédiaire 34 montée folle sur le carter du moteur et engrenant avec la denture intérieure d'un plateau 35 libre en rotation sur l'arbre 19. Des épaulements 36 rendent l'arbre 19 et le plateau 35 solidaires axialement. Le plateau 35 porte un doigt radial extérieur 37 s'engageant dans la gorge sans fin de la came 32. La course verticale donnée par la came 32 est, par exemple, le quart du diamètre d'un élé- ment modulaire de la benne. La rotation de l'arbre 19 provoque celle, à vitesse beaucoup plus lente, du plateau 35, ce qui entraîne le doigt 37 et l'ensemble mobile suivant un mouvement vertical alternatif. La rotation du fourreau 17 et du moteur 18 par rapport à la benne est empêchée par un système à clavette coulissante 38 disposé entre le lest 20 et le fourreau 17. Un repère extérieur 39 sur la benne permet, au montage de l'appareil, de décaler dans le temps les mouvements verticaux des divers outils 15. Avec un tel agencement, l'effort vertical de forage, donné par le lest 20, porte, à un instant donné, sur un seul outil. Il s'ensuit, d'une part, une capacité de forage plus importante pour une benne de même poids et, d'autre part, une absence de rotation de la benne car le point de pivotement éventuel, sauf dans le cas d'un outil central, est excentré. On a montré à la fig.9 une variante du mode de réalisation de la fig.3 pour une commande séquentielle du mouvement vertical des outils. Les mêmes références que dans la fig.3, à la description de laquelle on se reportera, désignent les mêmes éléments. Le moteur 18, solidaire du fourreau 17, peut coulisser axialement dans le lest 20 sur lequel il est claveté en 38. A la partie supérieure du moteur est accrochée la tige 40a d'un vérin axial 40 dont le corps 40b est accroché à l'enveloppe 16. Un distributeur 41 est porté par la face intérieure de l'envelop- pe; il comporte un tiroir vertical 42 commandé par deux butées 43, 44 de fin de course portées par le moteur 18. Les distributeurs 41 des diverses unités modulaires sont agencés, soit pour la seule commande du vérin correspondant, soit pour la commande programmée de tous les vérins. Dans le premier cas, le vérin 40 aura par exemple un mouvement alternatif permanent; dans le second cas, la commande pourra par exemple etre telle que, à partir de leur position commune rétractée, les vérins seront déployés en cascade et resteront dans leur position déployée, la fin de course de déploiement du dernier vérin provoquant la rétraction de tous les vérins. autres agencements sont possibles, notamment le couplage de vérins deux à deux. On a montré à la fig.10 une variante de réalisation dans laquelle ltentraînement des outils se fait par moteur électrique. Dans l'unité modulaire montrée à la fig.10, un moteur électrique 45 et un réducteur 46 sont situés à la partie inférieure de l'enveloppe 16. L'essentiel du volume de l'unité modulaire est constitué par des accumulateurs 47 d'alimentation du moteur. La masse importante des accumulateurs 47 constitue le lest. Sur le circuit de branchement du moteur 45 est prévu un interrupteur. 48 dont un plot est porté par. le capot 29 et dont l'autre plot est porté par ltextrémité inférieure du câble 1. Le câble 1 traverse le capot et porte une douille 49 propre à venir stappu- yer sur une douille correspondante 50 du capot 29 pour les phases de levage. Un ressort de compression 51 tend à écarter les douilles 49 et 50. Une butée extérieure 52, solidaire du câble 1, limite la rentrée du câble dans le capot. Lorsque le câble 1 est mou, c'est-à-dire lorsque les outils reposent sur le terrain à forer, l'interrupteur 48 est fermé; lorsque le câble est tendu, il est ouvert; de la sorte, les accumulateurs ne sont sollicités que lors des phases de forage. Bien entendu, on peut utiliser les modes de réalisation des fig.3 et 9 avec des unités de forage du type électrique et autonome telles qu décritesen référence à la fiv.10. L'appareil selon l'invention présente, par rapport à un appareil du même type à outil unique excentré, un avantage déterminant résidant dans son efficacité. En effet, avec un seul outil excentré, la benne devrait effectuer plusieurs allers et retours pour forer une même zone de terrain. il ressort de ce qui précède que l'appareil selon l'invention, pour une capacité de forage donnée, est léger et nécessite un engin peu important qui, au surplus, n'a pas à être transformé de manière onéreuse et longue. L'ensemble est facilement transportable. En outre, la structure modulaire de la benne permet les montage et démontage rapides de l'appareil. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. On pourrait, au contraire, concevoir diverses variantes sans sortir de son cadre; c'est ainsi qu'on pourrait prévoir un moteur unique, commun à tous les outils, ou faire supporter la benne par un mât rigide n'ayant d'autre fonction que de porter la benne. Au surplus, les outils 15 peu veBt avoir une section plus petite que celle des unités modulaires qui les portent, comme c'est le cas par exemple des cousonnes ou des fleurets REVENDICATIONS 1.- Appareil de forage des sols, caractérisé par le fait qu'il comporte une benne de forage pesante propre à être portee par ltengin et comprenant au moins deux outils tournants de forage et au moins un moteur d'actionnement des outils, les couples de forage étant fournis par le moteur et l'effort axial de forage étant fourni par le poids de la benne. 2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un moteur d'entraînement propre à chaque outil. 3.- Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la benne comporte un lest. 4.- Appareil selon l'une des revendications I à 3, caractérisé par le fait que la benne est constituée par l'assemblage d'unités de forage modulaires identiques. 5.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la benne comporte une pièce supérieure de suspension, une enveloppe étanche, un lest, un fourreau vertical solidaire du corps du moteur et entourant l'arbre du moteur. 6.- Appareil se-lon la revendication 5, caractérisé par le fait que le moteur, le fourreau, l'enveloppe et le lest sont solidaires. 7.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour imprimer aux outils, outre leur mouvement rotatif, un mouvement vertical alternatif pour que le poids de la benne ne s'exerce, à un instant donné, que sur un nombre limité d'outils, notamment sur un seul outil. 8.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'arbre du moteur, portant l'outil, commande un train d'engrenage coopérant avec une came de l'enveloppe. 9.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte un vérin axial agissant entre le corps de la benne et le moteur supportant l'outil. 10.- Appareil selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que les courses des outils sont réguliêrement réparties dans le temps. 11.- Appareil selon l'une des revendications I à 10, caractérisé par le fait que le moteur est du type électrique et alimenté par des accumulateurs portés par la benne et formant lest. 12.- appareil selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que la section du corps de la benne correspond à la section globale des outils. 13.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 12, Ca- ractérisé par le fait qu'il comporte un câble de suspension à l'engin. 14.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 13, Ca- ractérisé par le fait que la forme allongée de la benne constitue un moyen de guidage. 15.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 14, Ca- ractérisé par le fait que les outils tournent dans le même sens. 16.- Appareil selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que certains au moins des outils tournent deux à deux en sens inverses.