Brevet FR2491107A1 — publié le 19820402

PROCEDE DE CONGELATION DU SOL. La présente invention concerne un procédé de congélation du sol faisant emploi d'un tuyau congélateur placé dans un trou de forage et dans lequel on introduit un fluide froid que l'on retire après échange de chaleur indirect avec le sol qui entoure le tuyau congélateur. Dans des procédés de ce type, on répartit dans la zone à congeler des trous et on dispose dans chacun des trous un tuyau congélateur de longueur appropriée. Les tuyaux congélateurs sont habituellement clos à leur base et on les alimente, par l'intermédiaire d'une tête de tuyau congélateur, d'un fluide réfrigérant constitué par exemple, par une saumure ou par un gaz liquéfié. On tire ainsi de la chaleur du sol par l'intermédiaire du tuyau congélateur qui est en contact thermique avec le terrain qui l'entoure. Apres un temps de refroidissement suffisant, il se forme autour des tuyaux congélateurs des zones congelées ayant une forme cylindrique qui, lorsqu'on prolonge le traitement, se recoupent mutuellement pour former ce qu'on appelle un mur de terrains gelés dont la forme et les dimensions sont déterminées par la disposition des tuyaux congélateurs.S'il s'agit d'obtenir un mur de terrains gelés de grande dimension et/ou d'entretenir un grand mur de terrains gelés pendant un temps relativement long, ce procédé se traduit par un prix de revient élevé, en raison de la grande quantité d'énergie requise. Pour réduire le prix de revient en énergie, il est déjà connu de forer des trous de profondeur faible comparativement à la profondeur maximum qu'il est possible d'obtenir par la technique du forage et de mettre en place des tuyaux congélateurs de longueur correspondante. Dans ce mode opératoire, il se forme un mur gelé de plus faibles dimensions, qui conduit à une réduction de la consommation d'énergie puisque l'on n'a à entretenir qu'un mur gelé dont les dimensions sont adaptées à la poursuite des travaux consécutifs. Toutefois, ce procédé présente l'inconvénient que les frais de forage correspondant à une avance par phases successives sont beaucoup plus grands que ceux encourus par un procédé dans lequel on forme un trou de forage de la longueur qu'il est possible d'atteindre par la technique du forage.Par ailleurs, il se pose des problèmes techniques, par exemple lorsqu'il s'agit de créer les cavernes de tête necessaires pour l'amorçage du forage du segment suivant. Par exemple, dans le cas de a formation d'un mur de terrains gelés pour le creusement d'un tunnel, on peut rencontrer des couches d'eau au cours de la formation de ces amorçes de forages. Les arrivées d'eau peuvent malheureusement entraîner des dégâts par affaissement et on doit donc les colmater à grands frais. L'invention vise donc à créer un procédé de congélation du sol dans lequel on puisse former un mur de terrains gelés de dimension suffisante avec une faible consommation de réfrigérant et, par conséquent, avec une faible consommation d'énergie. Suivant l'invention, ce problème est résolu par le fait qu'on introduit dans le trou de forage un tube de gainage fermé, appliqué contre la paroi du trou de forage, et que, on forme dans la région du terrain à congeler une chambre étanche aux liquides entre la gaine et le tuyau congélateur à l'aide de garnitures d'étanchéité élastiquement déformables et en ce qu'on introduit dans cette chambre un liquide de congélation destiné à être congelé par contact thermique avec le fluide froid puis, ensuite, en ce qu'-on introduit le fluide froid dans ce tuyau congélateur. Suivant l'invention, on fore le trou aussi loin qu'il est possible de l'avancer par les techniques classiques de forage, de sorte que les frais de forage restent faibles. Dans le trou, on enfonce un tube de gainage qui est fermé à l'extrémité enfoncée dans le trou et qui s'applique contre la paroi du trou, de sorte qu'il s'établit un bon contact thermique entre le tube de gainage et le terrain qui l'entoure. Ensuite, on introduit un tuyau congélateur dans ce tube de gainage.Le tuyau congélateur porte au moins deux garnitures d'étanchéité élastiquement déformables, dont on peut modifier la forme en agissant de l'ex térieur du tuyau congélateur ou du tube de gainage de manière que ces garnitures d'étanchéité s'appliquent contre le tube de gainage, à joint étanche aux liquides, et forment une chambre fermee en combinaison avec le tube de gainage et avec le tuyau congélateur. On enfonce le segment considéré du tuyau congélateur dans le tube de gainage jusqu'à l'endroit où il s'agit de former un mur de terrains gelés. Ensuite, on forme la chambre étanche aux liquides precitée, entre le tube de gainage et le tuyau congélateur au moyen de garnitures d'étanchéité élastiquement déformables et on introduit un liquide dans cette chambre.On utilise un liquide qui se congèleen contact thermiqueindirect avecle fluide froid qui sera introduit ensuite dans le tuyau congélateur fermé. Le liquide congelé établit un bon pont thermique entre le tube de gainage et le tuyau congélateur, de sorte qu'on peut extraire de grandes quantités de chaleur du sol dans la région du pont thermique et former ainsi un mur de terrains congelés. Sur la longueur restante du tube de gainage, il existe entre ce tube et le tuyau congélateur, un volume intercalaire rempli d'air à travers lequel on ne risque de tirer du sol que des quantités de chaleur peu importantes. De cette façon, après avoir été introduit dans le tuyau congélateur, le fluide froid ne se réchauffe que dans une mesure insignifiante sur le trajet qu'il parcourt pour atteindre le pont thermique. La longueur du pont thermique est déterminée par la distance séparant les garnitures d'étanchéité. Suivant l'invention, on peut modifier légèrement cette distance et donc,1'adaptera la longueur que l'on souhaite donner au mur de terrains gelés. Un avantage particulier du procédé suivantl'invention consiste ence qu'peut enfoncer le tuyau congélateur dans le tube de gainage jusqu'à n'importe quel point voulu et que, de cette façon il ne devient possible de n'établir ou n'entretenir le mur de terrains gelés que dans les régions dans lesquelles ce mur est nécessaire. La consommation de.rèfrigérant peut donc être ramenée à un minimum, c'est-à-dire à la quantité absolument nécessaire. Par ailleurs, le tuyau congélateur peut être rapidement amené à un autre point à l'intérieur du tube de gainage. Pour cela, il suffit d'interrompre l'alimentation en fluide froid, de mettre le liquide congelé en contact thermique avec un agent caloporteur (par exemple de la vapeur ou de l'eau) et de réduire le volume des garnitures d'étanchéité de manière que ces garnitures ne soient plus en contact avec le tube de gai nage. A ce moment, on peut amener le tuyau congélateur à un autre point du tube de gainage. D'une part, ceci permet de réaliser le forage du trou en une seule opération et, d'autre part, le mur de terrains gelés peut être formé par segments successifs, par exemple pour l'adapter à l'avancement d'une excavation. Dans un mode avantageux de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on utilise comne fluide froid un gaz liquéfié. L'eau constitue un liquide approprié pour être congelé par échange de chaleur avec un gaz liquéfié ou avec une saumure refroidie. Dans le procédé suivant l'invention, on utilise avantageusement des garnitures d'étanchéité qui forment en combinaison avec le tuyau congélateur un volume qui s'étend sur toute la périphérie du tuyau congélateur dans lequel on introduit un gaz, par exemple de l'air, pour déformer les garnitures d'étanchéité. En injectant de l'air ou en le laissant s'échapper, on peut modifier rapidement la forme des garnitures d'étanchéité et obtenir des joints étanches aux liquides d'une grande fiabilité. Dans cette réalisation, les garnitures d'étanchéité doivent être fabriquées en une matière qui ne se fragilise pas aux basses températures du fluide froid. Si, par exemple, on utilise de l'azote liquide comme réfrigérant, il est approprié d'utiliser pour les garnitures d'étanchéité un caoutchouc de silicone.En supplément, les garnitures d'étan chéité peuvent éventuellement être entourées d'une couche isolante. Dans un dispositif approprié pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, sont prévus dans le trou de forage un tube de gainage à l'intérieur duquel est logé un tuyau congélateur qui est lui-même composé d'un tube de descente et d'un tube de remontée de plus petit diamètre que le tube de descente et, disposés concentriquement à l'intérieur de celui-ci, au moins deux garnitures d'étanchéité capables de se déformer élastiquement selon une direction à peu près perpendiculaire à l'axe du tube de descente, ces garnitures étant montées avec un certain écartement mutuel sur la surface externe du tube de descente, dans la région de la base de ce tube de descente, en entourant ce tube de descente sur toute sa périphérie, tandis qu'un conduit qui est enfilé à l'intérieur du tube de descente et est destiné à introduire un liquide qu'il s'agit de refroidir par échange de chaleur avec le fluide froid débouche dans la -region comprise entre les deux garnitures d'étanchéité. Le tube de descente possède avantageusement un plus grand diamètre entre les deux garnitures d'étanchéité que dans les autres régions. Le volume de la chambre annulaire comprise entre le tube de descente et le tube de gainage est donc petit de sorte que le liquide qui est en contact thermique avec le fluide froid se congèle rapidement et qu'il s'établit un bon pont thermique. Il convient de veiller à ce que le tuyau congélateur puisse se déplacer facilement à l'intérieur du tube de gai nage. La distance d'écartement entre le tube de gainage et le tube de descente est donc fonction, entre autres, des irrégularités du tuyau congelateur et du tube de gai nage, ainsi que de la longueur du segment de gros diametre du tube de descente et de la courbure que le tube de gainage peut posséder éventuellement par suite du défaut de rectilinéarité du trou de forage. Suivant une autre caractéristique de l'invention, dans le volume étanche aux gaz formé par chacune des garnitures d'étanchéité en caoutchouc, en combinaison avec le tube de descente, débouche un conduit qui passe à l'intérieur du tube de descente et est destiné à alimenter ce volume en gaz. De même que le conduit qui débouche dans la région comprise entre les deux garnitures d'étan chéité, ce conduit peut être fixe ou mobile et peut être prolongé à volonté. En dehors des garnitures d'étanchéité dont on peut faire varier le volume par une pression gazeuse, il est également approprié d'utiliser des presseétoupe pour former une chambre entre le tube de gainage et le tube de descente à joint etanche. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture des exemples suivants, donnés à titre illustratif mais non limitatif. Dans un trou de forage, est disposé un tube de gainage 1 qui est étroitement appliqué contre la paroi de ce trou. A l'intérieur du tube de gainage 1, se trouve un tube de descente 2 disposé concentriquement au tube 1. Dans la région de sa base, ce tube présente un diamètre plus grand que celui qu'il présente sur le reste de sa longueur mais plus petit que le diamètre intérieur du tube de gai nage. De part et d'autre de la région de grand diamètre du tube de descente, sont disposées deux garnitures d'étanchéité en caoutchouc 3, 4 qui entourent toute la périphérie du tube de descente 2. Ces garnitures sont fixées au tube de descente pardes joints étanches aux gaz dans la région de petit diamètre et chacune d'elles forme un volume annulaire 5, 6 en combinaison avec le tube de descente. Un tuyau 7 débouche dans le volume 5 de même que dans le volume 6. Un autre conduit 8 débouche, éventuellement par l'intermédiaire de deux ou plus de deux branches, dans la chambre formée entre le tube de gainage 1 et le tube de descente 2, c'est-à-dire dans la région comprise entre les deux garnitures d'étanchéité 3, 4.Le conduit 8 passe à l'intérieur du tube de descente 2. A l'intérieur du tube de descente, passe également un tube intérieur 10 disposé concentriquement au tube de descente 2, à écartement de ce tube. Les deux conduits 7 et 8 sont placés entre le tube intérieur 10 et le tube de descente 2 et peuvent etre fixes ou mobiles. Dans l'exemple de réalisation, il s'agira de la congélation de la zone de faite d'un tunnel. Suivant l'invention, on fore plusieurs trous destinés à recevoir les tuyaux congélateurs sur toute la longueur du tunnel. Dans cette opération, on peut, soit forer avec tubage, soit tuber ultérieurement chaque trou avec un tube de gainage 1. Ensuite, on enfile le tuyau congélateur, composé du tube de descente 2 et du tube intérieur 10, dans le tube de gainage 1 jusqu'à ce que la région de grand diamètre extérieur du tube de forage 2 se trouve à l'emplacement du mur de terrains gelés à former. Ensuite, par le conduit 7, on injecte de l'air comprimé dans les volumes 5 et 6 des garnitures d'étanchéité 3 et 4. Sous cet effet, les garnitures se déforment jusqu'à ce qu'elles soient appliquées contre la surface interne du tube de gai nage 1 et établissent un joint étanche à l'eau.Pendant tout le temps où l'on enfonce le tuyau congélateur dans le tube de gainage 1, ces garnitures d'étanchéité restent plaquées contre le tube de descente 2. Dès que le joint étanche à l'eau a été établi, on peut introduire de l'eau dans la chambre annulaire 9 comprise entre le tube de descente et le tube de gai nage. On utilise pour cela le conduit 18 qui sert également à évacuer l'air de la chambre annulaire 9. Lorsque la chambre annulaire 9 est remplie d'eau, on injecte un fluide froid (de l'azote liquide dans l'exemple de réalisation considéré) dans le volume compris entre le tube de descente 2 et le tube intérieur 10. Sous l'effet de l'échange de chaleur indirect, l'eau enfermée dans la chambre annulaire 9 par les garnitures d'étanchéité en caoutchouc se congèle et, de cette façon, établit un bon pont thermique entre l'ensemble composé du tube de gainage 1 et du terrain d'une part et le tube de descente d'autre part. Pendant l'échange de chaleur qui s'établit entre l'azote liquide et l'eau contenue dans la chambre 9 ou entre cet azote liquide et le terrain, l'azote se vaporise. Cet azote gazeux est évacue par l'intermédiaire du tube intérieur 10. Des qu'il s'est formé dans le terrain un mur gelé de dimensions suffisantes, on peut placer le tuyau congélateur en un autre point du tube de forage. Pour cela, on fait circuler de l'eau froide ou chaude ou de la vapeur dans le tube de descente 2 puis dans le tube intérieur 10 (ou inversement), pour décongeler la chambre annulaire 9. Ensuite, on aspire l'air contenu dans les volumes 5, 6 des garnitures d'étanchéité 3, 4 puis on déplace le tuyau congélateur mobile, par exemple en utilisant pour cela le tube intérieur 10 qui est rigidement solidaire du tube de descente. Le temps de décongélation est d'environ 10 minutes tandis que le temps de congélation demande environ 20 minutes. Le tube de descente peut être fait de cuivre, aussi bien dans sa région de grand diamètre (par exemple 54 x 2 mm) que dans la région de petit diamètre (par exemple 35 x 1,5 mm). Dans un exemple de réalisation, le tube de descente possède une longueur d'environ 2 m dans la région comprise entre les garnitures d'étanchéité. Ces garnitures sont constituées par des manchons de caoutchouc d'une longueur d'environ 15 cm chacun, fermés par des colliers à tuyaux et sont faits de caoutchouc de silicone. L'écartement entre le tube de descente et le tube de gainage sont d'environ 5 mm. En résumé, il est visible que le procédé suivant l'invention permet une exploitation optimale du temps et de I'énergie, notamment lorsqu'on effectue le refroidissement à l'aide d'azote liquide. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentes; elle est susceptible-de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. b v w REVENDICATIONS 1.- Procédé de congélation du sol utilisant un tuyau congélateur mis en place dans un trou de forage et dans lequel on injecte un fluide froid que l'on évacue de ce tuyau après échange de chaleur indirect avec le terrain qui entoure le tuyau congélateur, procédé caractérise en ce qu'on introduit dans le trou de forage un tube de gainage fermé, appliqué contre la paroi du trou de forage et que, dans ce tube de gai nage, on introduit un tuyau congélateur fermé,en ce qu'on forme dans la région du terrain à congeler une chambre étanche aux liquides entre le tube de gainage et le tube congélateur à l'aide de garnitures d'étanchéité elastiquement déformables, et introduit dans cette chambre un liquide destiné à être congelé par échange de chaleur avec le fluide froid, puis ensuite, introduit un fluide dans le tuyau congélateur. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide froid est un gaz liquéfié, notamment de l'azote liquide. 3.- Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit liquide est de l'eau. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des garnitures d'étanchéité forment, en combinaison avec le tuyau congélateur, une cavité qui s'étend sur toute la périphérie du tuyau congélateur et dans laquelle on introduit un gaz, notamment de l'air, pour assurer la déformation des garnitures d'étanchéité. 5.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un tube de gainage (1) place dans un trou de forage et à l'intérieur duquel est placé un tuyau congélateur qui est composé d'un tube de descente (2) et d'un tube de remontée (10) qui possède un plus petit diamètre que le tube de descente et est disposé concentriquement à l'intérieur de ce tube de descente, au moins deux garnitures d'étanchéité (3, 4) pouvant se déformer élastiquement selon une direction à peu près perpendiculaire à celle de l'axe du tube de descente, disposées sur la surface externe du tube de descente, dans la région de la base de ce tube de descente (2) et s'étendant sur toute la périphérie du tube de descente (2), tandis que, dans la région comprise entre les deux garnitures d'étanchéité débouche un conduit (8) disposé à l'intérieur du tube de descente (2) et servant à l'introduction d'un liquide qu'il s'agit de congeler par échange thermique avec le fluide froid. 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le tube de descente (2) possède un plus grand diamètre dans la région comprise entre les deux garnitures d'étanchéité (3, 4) que sur le reste de sa longueur. 7.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caracterise en ce qu'il comporte des garnitures d'étanchéité en caoutchouc (3, 4) dont chacune forme en combinaison avec le tube de descente (2) un volume étanche aux gaz (5, 6) dans lequel débouche un autre conduit (7) placé à l'intérieur du tube de descente et servant à alimenter ladite chambre en gaz. 8.- Dispositif suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les garnitures d'étanchéité consistent en des presse-étoupe.