Brevet FR2557200A1 — publié le 19850628

DISPOSITIF DE SOUTENEMENT SOUPLE DES PAROIS DE GALERIES SOUTERRAINES La présente invention a pour objet un dispositif de soutènement sou- ple des parois de galeries souterraines. Dans la plupart des galeries et suivant la nature des terrains ren- contrés, il est nécessaire, afin d'assurer la sécurité du personnel, de procéder à un-soutènement plus ou moins important des parois pour maintenir les terrains et éviter les éboulements. L'homme de l'art sait qu'un soutènement est généralement composé de trois éléments: - une armature dont la résistance est suffisante pour encaisser la poussée du terrain, - un blindage qui s'anplique directement sur l'armature, - des matériaux de comblement destinés à supprimer les vides entre la surface du blindage et la surface de la paroi et à maintenir ainsi le terrain en place. Les soutènements utilisés actuellement dans les diverses exploita- tions souterraines (mines, carrières souterraines, galeries EDF ou autres, etc...) sont de deux types différents: - soit du type à armature en bois réalisée par la confection d'un boi- sage localisé à la demande, - soit du type à armature métallique réalisée par boulonnage ponctuel au travers d'éléments rigides, ou par un boulonnage systématique avec ou sans pose de grillage, ou encore par la mise en place de cadres métalliques avec comblement des vides. En ce qui concerne les armatures en bois, elles nécessitent, en rai- son de leur faible résistance, de recourir à des éléments de fortes dimensions qui sont fonction de l'importance des efforts à supporter. Le choix de ce mode de soutènement oblige le creusement de la gale- rie à une section supérieure à la section utile, d'ou un accroisse- ment du volume des déblais. Lorsque le soutènement s'avère nécessai- re après creusement, sa mise en place diminue le gabarit de la gale- rie. C'est pourquoi, on utilise de préférence des armatures métalliques. -2- Ces dernières peuvent être réalisées par un boulonnage ponctuel dans lequel on procède.à un traitement local des mauvais terrain. rencontrés, et qui s'applique à bon nombre d'exploitations souter- raines. Ce boulonnage ponctuel consiste en la pose aux endroits dangereux d'une armature constituée par une ou plusieurs tiges d'ancrage ap- pelées boulons, qui, introduites dans l'énaisseur de la paroi, et fixées par l'intermédiaire de plaques et d'écrous contre celle-ci, solidarisent les zones douteuses aux zones considérees comme saines. Il existe plusieurs types et systèmes d'ancrage: à coin, à coquil- le d'expansion, à la résine, au ciment. Souvent, pour augmenter la surface portante de ce type de soutàne ment, des éléments rigides sont glissés entre la paroi à soutenir et l'ensemble plaque-écrou fixant la tige d'ancrage; ce sont des plaques d'envol, IPN, rails, blochets etc..., mais ils n'adhèrent pas toujours correctement aux terrains à conforter. L'inconvénient de ce type de soutènement est qu'en cas de pression des terrains dans la zone traitée, aucune déformation de l'armature ne permet à l'expoitant d'être prévenu, sauf dans le cas de pose de blochets et de pose de plaques déformables. Les armatures métalliques peuvent aussi être réalisées par un bou- lonnage systématique. Dans ce type de soutènement, l'armature est constituée par un en- semble de tiges d'ancrage posées à des intervalles réguliers sui- vant un quadrillage et une profondeur définis par l'exploitant pour traiter systématiquement l'ensemble d'une galerie ou d'un quartier de galerie, et ce afin de favoriser la formation d'une voûte por- teuse artificielle. La densité de ce boulonnage doit être suffisante pour résister aux poussées du terrain. Il est parfois nécessaire de compléter ce sou- tènement par de la pose de grillage ou de gunite pour supprimer les risques représentés par l'écaillage de la roche entre les tiges d'ancrages. Ce procédé a le même inconvénient que celui signalé dans le boulonnage ponctuel, à savoir qu'aucune information n'est perçue par l'exploitant en cas de pressions locales des terrains. -3- Les armatures métalliques peuvent enfin être réalisées au moyen de cadres métalliques. Ces cadres sont généralement obtenus à partir de profilés (système TOUSSAINT-HEICHMANN, par exemple) fabriqués à façon et se présentant sous forme de plusieurs éléments en tronçons transportables, que l'on assemble sur place au moyen d'étriers et écrous. Ces cadres forment alors une sorte de portique constitué par deux pontiers latéraux qui servent à transmettre au sol, les efforts ré- sultant de la poussée du terrain s'exerçant sur le cintre supérieur. Ils sont placés à une certaine distance les uns des autres en fonc- tion de la nature des terrains traversés et sont reliés entre eux par des barres d'assemblages longitudinales. Le blindage de la galerie est alors réalisé au moyen de plaques mé- talliques qu'on glisse sur les cadres. Ce type de soutènement, bien que très répandu dans les houillères et les galeries EDF, pose ce- pendant des problèmes. Malgré certaines facilités d'adaptation du cadre au profil de la galerie lors de son montage, on ne Deut éviter l'existence de vides à la périphérie du cadre et la nécessité de pro- céder à leur comblement. Par ailleurs, du fait de leur encombrement, la section des galeries est diminuée. Or, avec les machines de creusement modernes, de type "Mineur conti- nu" ou à attaque ponctuelle (type ROBBINS, ALPINE MINEER,PAURAT etcz..) on ne dispose plus de gros éléments rooheux nécessaires à la réali- sation de ce comblement, d'o lanécesàité de procéder à un apport extérieur de matériaux permettant dteffectuer ce comblement. Ce qui grève le prix de revient. Outre cet inconvénient, le problème du surdimensionnement de la ga- lerie existe toujours, bien qu'à lun degré moindre lors du creusement. C'est pourquoi, la demanderesse, consciente de ces difficultés, et guidée par le souci de travailler avec un maximum de sécurité, a cherché et trouvé un dispositif qui résout une partie des problèmes que posent les techniques actuelles de soutènement. -4- Ce dispositif appartient au soutènement du type métallique souple et a pour but notamment: - de supprimer la contrainte du comblement des vides propres à la technique des cadres, car ce système peut épouser les formes du terrain lors de sa mise en place et par là même, éviter les surdimensionnements des galeries, - de liaisonner les différents types d'ancrages posés à l'intérieur de ce système et donc d'augmenter la résistance ponctuelle de cha- que tige qui devient solidaire d'un ensemble, - de prévenir l'exploitant des pressions exercées entre ou sur les tiges de ce système qui, dans ce cas, se déforme sous la poussée des terrains, éventuellement jusqu'à la rupture, - d'être.applicable à la majorité des natures de terrains rencontrés, - d'être dimensionné, en fonction de son utilisation, suivant le mo- dèle de galerie et suivant le désir de l'exploitant, de façon que chaque élément puisse être facilement mis en oeuvre par le Derson- nel. Ce dispositif est constitué par un ensemble d'armatures posées per- pendiculairement à l'axe de la galerie et espacées les unes des au- ttre,-etcaractérisé en ce que chaque armature est réalisée en fer. plat dont la forme épouse la géométrie de la paroi et comprend un élément supérieur percé en-son milieu d'un trou oblong et de rainu- res longitudinales, et au moins deux éléments latéraux placés de- part et d'autre de l'élément supérieur assemblés entre eux par re- couvrement et percés également de rainures, des tiges d'ancrage en- filées soit dans le trou soit dans les rainures dont une extrémité pénètre dans la paroi et dont l'autre extrémité filetée permet de plaquer lesdits éléments contre la paroi au moyen d'une plaquette d'appui et d'un boulon de serrage adapté au filetage. Ainsi, le dispositif selon l'invention, consiste-t-il en un ensemble d'armatures composées chacune d'éléments en fer plat, assemblés entre eux par recouvrement. C'est là une première différence avec les dispositifs de l'art an- térieur et notamment avec ceux qui utilisent des cadres métalliques et dans lesquels on emploie couramment, soit des fers profilés -5- en T, en I ou en U, soit plus souvent des U spécialement laminés à forte inertie et des I à larges ailes, du type HEB ou HEM. Il s'agit ici tout simplement de fers plats dont le type peut être adapté aux efforts demandés-et dont le prix de revient est plus fai- ble que celui des profilés classiques. Ces fers plats ont en plus l'avantage,en raison de leur faible épais- seur, de pouvoir épouser la géométrie de la paroi. Chaque armature comprend plusieurs éléments. Un élément supérieur, le premier à être posé et qui intéresse donc la voûte de la galerie à consolider. Ce fer plat porte au sommet de son rayon de courbure, un trou oblong de faible dimension, au travers duquel est enfilée une tige d'ancrage dans un trou préalablement percé en tête de la galerie. 15. Cette tige d'ancrage, comme toutes les tiges d'ancrage, est consti- tuée d'une tête qui pénètre dans la paroi de la galerie par l'inter- médiaire du trou préalablement perfore. Cette tête possède, soit un mécanisme d'expansion, un mécanisme du type coin ou tout autre solution bien connue de l'homme de l'art pratiquant le boulonnage (résine, ciment etc...) lui permettant,soit de s'ancrer définitivement dans les terrains par poussée ou tirage, soit d'adhérer à ces terrains par résine ou ciments. L'autre extrémité de cette tige d'ancrage est filetée. Ce filetage permet, une-fois l'enfilage réalisé, de "plaquer" le fer plat contre la paroi à l'aide d'une plaque d'acier serrée contre le fer plat par un écrou de serrage adapté au filetage; de préférence, on utilise une plaque d'acier deformable qui évite l'arrachage de l'écrou sous la poussée des terrains. Une fois fixé au sommet de la galerie, ce fer plat, qui possède des rainures longitudinales sur la majorité de sa longueur, permet à l'exploitant de perforer avec un minimum de sécurité au travers de ce fer plat autant de trous qu'il veut en fonction de la densité de boulonnage qu'il a choisie, puis de poser ces tiges d'ancrage qui vont faire adhérer étroitement le fer plat à la forme de la voûte à conforter. Les rainures permettant le passage des fleurets de perforation et des tiges d'ancrages sont, de préférence allongées, suivant la plus grande dimension de l'élément, de façon à faciliter au maximum la -6- perforation et permettre un plus grand choix quant au positionnement de ces tiges. Ce dispositif est complété par deux, voire plusieurs fers plats la- téraux. Leur nombre est fonction de la section de galeries réalisées. De préférence, chaque armature est constituée de trois éléments: un élément supérieur placé au faîte de la paroi et deux éléments la- téraux placés de part et d'autre dans le prolongement du premier. Dans ce cas, et pour renforcer la tenue des éléments à la poussée des terrains, les extrémités en regard des éléments sont superposées et reliées entre elles par l'intermédiaire des tiges d'ancrage. Les éléments latéraux sont légèrement différents de l'élément supé- rieur par le fait qu'ils ne comportent pas en leur milieu de trou oblong destiné au guidage, comme c'est le cas pour l'élément de faî- te. Ces deux éléments présentent une rainure discontinue sur toute leur longueur. Les arrêts de rainurage augmentent la résistance de l'élément. De plus, ces éléments présentent à une au moins de leurs extrémités un logement d'emboîtement qui facilite leur montage. L'armature ainsi réalisée, est relativement peu encombrante et stap- plique exactement contre la paroi de la galerie. Elle évite tous les problèmes de comblement de vides et permet de diminuer la sec- tion de creusement de la galerie en raison de sa faible épaisseur. Par ailleurs, elle solidarise l'ensemble des tiges d'ancrage d'une même armature, ce qui renforce la résistance du système, puisque la poussée des terrains est répartie sur une surface portante beaucoup plus conséquente. La nature souple du matériau employé pour la réa- lisation des fers plats (acier doux) permet à ce système de se dé- former sous les poussées de terrain et donc de prévenir l'exploitant de l'existence de ces poussées. Ce système est donc sécurisant par son comportement. De plus, le dimensionnement de l'armature peut être différent en fonction de la nature des terrains et des demandes de l'exploitant. La seule contrainte étant un problème de poids, afin que l'armature reste manutentionnable par le personnel. Ainsi les armatures selon -7l'invention présentent notammnent les caractéristiques suivantes: largeur: 100 - 130 - 150 - 200 mm - épaisseur: 6 8- 8 - 10 mm - largeur du rainurage: 30 - 35 - 40 mm - longeurs: eléments supérieurs de 4 m éléments latéraux de 3,50 m Toutefois, ces paramètres sont adaptables aux contraintes locales, ce qui permet d'utiliser ce système dans la plupart des chantiers souterrains. - La solution apportée par cette armature, s'avère donc pratique, simple, sécurisante, souple et économique. Le dispositif de soutènement est constitué par un ensemble de tel- les armatures posées perpendiculairement à l'axe de la galerie, es- pacées les unes des autres d'une distance fonction de la nature du terrain. Ce dispositif peut être également complété par la pose initiale, sur la paroi, d'un treillis métallique qui est alors supporté par l'en- semble des armatures et empêche l'écaillage des terrains entre les armatures. Ce treillis peut, aussi, être recouvert d'une couche de béton proje- té capable d'assurer une parfaite homogénéité de l'ensemble du sou- tènement. L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins annexes à la présente demande. La figure I est une vue en perspective d'une galerie équipée d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant la plus grande longueur d'un élément supérieur. La figure 3 montre un élément supérieur vu de dessus. La figure 4 montre une vue en coupe suivant la plus grande longueur de la liaison entre un élément supérieur et un élément latéral. La figure 5 est une vue en coupe suivant sa plus grande longueur d'une armature posée dans une galerie et ayant subi une déformation sous la poussée du terrain. -8- De façon plus détaillée sur la figure 1 apparaissent les trois élé- ments de fer plat (2), l'élément supérieur (3) et les deux éléments latéraux (4) et (5) dont les extrémités se superposent. Les tiges d'ancrage ou "boulons" (6) sont enfilées, après percement de la paroi (I) dans le trou (7') de l'élément supérieur et les rai- nures (7) des trois éléments. Elles sont, soit scellées, soit an- crées dans cette paroi et permettent d'y plaquer les éléments d'ar- mature par l'intermédiaire des écrous (8) et des plaques d'appui (9). La paroi de la galerie (1) est recouverte d'un treillis métallique (10). La figure 2 représente, en coupe suivant la plus grande longueur, un fer plat (2) constituant l.élément supérieuri (3) muni d'un trou (7') et de rainures (7), sur lequel s'exerce, suivant la flèche F, la pous- sée de la paroi du terrain. La figure 3 représente un élément supérieur (3) vu de dessus, mon- trant la disposition des rainures (7) qui s'allongent suivant la plus grande dimension de cet élément et d'un trou central (7'). Sur la figure 4, on voit un élément supérieur (3), et un élément la- téral (4) dont les extrémités se superposent par l'intermédiaire d'un logement d'emboîtement (11) et sont fixées entre elles, et à la paroi (1), avec le treillis métallique (10), à l'aide de la tige d'ancrage (6). L'extrémité filetée de celle-ci est enfilée dans deux ouvertu- res (7) desdits éléments placés en regard, l'une de l'autre, et mu- nie d'une plaque d'appui (9) et d'un écrou de'serrage (8). Sur la figure 5, on peut voir un exemple de poussée locale F' de ter- rains, contenue par le système de soutènement ci-dessus présenté et mis en évidence par la déformation du système, ce qui Dermet à l'ex- ploitant d'intervenir pour remédier à cet état de faits. L'invention peut être illustrée au moyen de l'exemple d'application suivant: Une galerie souterraine ayant une section elliptique de 15 m a été équipée d'une armature en fer plat dtune largeur de 200 mm et d'une 9- épaisseur de 10 mm. Chaque armature était composée de trois éléments distincts: - I élément supérieur de 4,oo m de long, cintré suivant le Drofil de la voûte et muni de trois ouvertures: 5. une ouverture elliptique au sommet, ayant 20 cm de long, deux ouvertures de part et d'autre de la première, ayant une longueur de 1,60 m; - 2 éléments latéraux de longueur unitaire de 3,50 m cintrés sui- vant le profil d_ la galerie, munis chacun, d'une ouverture de 320 cm et dont les extrémités se superposent avec les extrémités de l'élément supérieur sur une longueur de 50 cm. Ces armatures ont été placées à une distance variant de 0,50 m à 1,60 m les unes des autres et un treillis métallique en fil de 5 mm, maille carrée de 100 mm x 100 mm recouvrait l'ensemble de la voûte. Un tel dispositif permet de soutenir la paroi dans des conditions normales d'exploitation sans avoir recours, ni aux cadres classi- ques, ni au comblement des vides et à réaliser ainsi un soutènement donnant à la galerie des dimensions sensiblement voisines de celles obtenues après creusement. -10- REVENDICATIONS 1. Dispositif de soutènement métallique souple des parois de gale- ries souterraines, constitué par un ensemble d'armatures posées per- pendiculairement à l'axe de la galerie et espacées les unes des au- tres, caractérisé en ce que chaque armature est réalisée en fer plat (2) dont la forme épouse la géométrie de la paroi (1) et comprend un élément supérieur (3) percé en son milieu d'un trou oblong (7') et de rainures longitudinales (7) et au moins deux éléments laté- raux (4) et (5)placés de part et d'autre de l'élément supérieur as- semblés entre eux par recouvrement et percés de rainures (7), des tiges d'ancrage (6) enfilées soit dans le tro soit dans les rainu- res dont une extrémité pénètre dans la paroi et dont l'autre extré- mité filetée permet de plaquer lesdits éléments contre la paroi au: moyen d'une plaquette d'appui (9) et d'un boulon de serrage (8) adapté au filetage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une des extrémités des éléments latéraux présente un logement d'emboîtement (11). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi est recouverte d'un treillis métallique (10) supporté par l'ensemble des armatures. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le treillis est recouvert de béton.