Brevet FR2567193A1 — publié le 19860110

Dispositif de mesure d'un dépassement d'excavation installé sur un excavateur de tunnels du type à bouclier La présente invention concerne un dispositif de mesure d'un dépassement d'excavation installé sur des excavateurs de tunnels du type à bouclier. Le dispositif de mesure du dépassement d'excavation du type précité comprend une sonde prévue, par exemple, sur la partie de tête de l'excavateur de tunnels du type à bouclier, et destinée à déceler l'étendue de toute excavation en excès indésirable survenant dans le front de taille d'un tunnel ou galerie pendant leur creusement dans le sol à mesure de l'avance de l'excavateur. Dans le procédé d'excavation de tunnels utilisant l'excavateur du type à bouclier, en général, un bouclier constitué par un cylindre en acier de l'excavateur est engagé dans le front de taille du tunnel de façon qu'un porte-lames rotatif aménagé dans la partie frontale de l'excavateur soit mis en rotation pour creuser le sol. Pendant un tel creusement, les segments de renforcement sont installés sous forme assemblée annulairement contre la paroi de perçage du tunnel que l'excavateur laisse apparaitre derrière lui à mesure qu'il avance, tandis qu'on remplit à l'aide d'un matériau de garnissage tel qu'un mortier un espace laissé circonférentiellement entre la paroi du tunnel et les segments mis en place. A mesure que l'excavateur avance, ces travaux sont successivement répétés jusqu'à l'aménagement du tunnel dans le sol. Pendant ces travaux de réalisation d'un tunnel, il se produit souvent un affaissement partiel du front de taille dû entre autres facteurs divers pour la plus grande part à une inégalité géologique du sol et entraînant la formation d'une cavité de dimensions en excès par rapport à celles qui sont prévues pour la réalisation du tunnel, cette cavité étant désignée ci-après en tant que dépassement d'excavation ou excavation en excès, qui doit être éliminée pour éviter tout nouvel affaissement de sol important. Même lorsque le dépassement d'excavation est faible, son étendue doit être promptement évaluée avec précision de façon que la quantité du matériau de garnissage à utiliser puisse être exactement déterminée pour ne pas laisser subsister le problème de la sécurité de retenue de la paroi du tunnel.En conséquence, on a déjà proposé différentes mesures pour détecter le dépassement d'excavation, comme dans les brevets des USA numéros 4 167 290 et 4 152 027 (ou dans la demande de brevet nO 77-31 218 ou encore le brevet britannique n0 1 590 276) au nom de la demanderesse, dans l'une desquelles une pluralité de détecteurs aptes à transmettre et recevoir une onde ultrasonique ou analogue sont prévus spécifiquement sur le porte-lames de façon à transmettre et recevoir l'onde en fonction, par exemple, d'une commande en provenance d'un dispositif de surveillance de dépassement d'excavation. Toutefois, en pratique, l'excavation en excès présente une diversité de formes, de dimensions et de conditions analogues, d'oit une possibilité que le détecteur ne puisse pas recevoir l'onde transmise et réfléchie en retour à partir du sol de façon fiable et que la détection ne soit pas toujours satisfaisante. On propose en outre dans un autre des brevets précités, un agencement dans lequel est prévue une sonde destinée a s'avancer à partir de la paroi périphérique de bouclier de l'excavateur pour mesurer la grandeur d'un dépassement d'excavation.Cet agencement peut éliminer les inconvénients de la détection utilisant l'onde ultrasonique, mais dans le cas où le front de taille du tunnel n'est pas suffisamment rigide ou solide pour arrêter la sonde sur celuici, l'extrémité de pointe de la sonde pénètre dans le sol en produisant une erreur de détection, ce qui fait que le dépassement d'excavation ne peut pas être mesuré avec précision. Le but principal de l'invention est par suite de réaliser un dispositif de mesure de dépassement d'excavation par un excavatéur de tunnel du type à bouclier qui puisse déterminer avec précision la position du front de taille du tunnel en empêchant toute erreur de détection de se produire, de façon que le sondage puisse être effectué fiablement, qu'une quantité convenable du matériau de garnissage puisse être remplie dans l'espace circonférentiel pendant l'excavation du tunnel, et que le procédé d'excavation de tunnels avec un excavateur du type à bouclier puisse être mis en oeuvre avec une sécurité davantage ameliorée. L'objectif précité ainsi que d'autres qui apparaîtront mieux dans ce qui suit sont atteints selon l'invention par la réalisation d'un dispositif de mesure de dépassement d'excava- tion dans lequel une tige de sondage rétractable est avancée à partir du bouclier de l'excavateur vers le front de taille du tunnel au moyen d'un dispositif d'entraînement prévu sur le bouclier, un capteur de pression est fixé sur l'extrémité de pointe de la tige et des moyens sont prévus pour détecter la longueur d'avancement de la tige de sondage simultanément avec la détection de la position du front de taille par le capteur de pression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'exemples de réalisations, donnés à titre indicatif, mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un excavateur de tunnels du type à bouclier connu avec lequel le dispositif de mesure de dépassement d'excavation est destiné à être utilisé la figure 2 est une vue schématique en coupe de l'excavateur du type à bouclier dans lequel est monté le dispositif de mesure de dépassement d'excavation suivant un mode de réalisation de l'invention la figure 3 est une vue en coupe, à échelle agrandie, du dispositif de mesure de dépassement dlexcavatìon de la figure 2 la figure 4 est un graphique destiné à expliquer le fonctionnement du capteur de pression fixé sur l'extrémité de pointe de la tige de sondage du dispositif de mesure , et la figure 5 est une vue schématique en coupe de l'excavateur du type à bouclier dans lequel est monté le dispositif de mesure de dépassement d'excavation selon un autre mode de réalisation de l'invention. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en référence à certains modes de réalisation préférés représenté dans les dessins, il est entendu que l'on peut mettre en oeuvre ladite invention suivant de nombreuses modifications et variantes sans s'écarter de son cadre et de son esprit. Pour une meilleure compréhension de l'invention, on décrit ci-après un excavateur de tunnels de type classique à bouclier et son fonctionnement en référence à la figure 1. Comme on peut le voir clairement dans la figure, un excavateur 10 de tunnels du type à bouclier comprend un corps de bouclier cylindrique 11 qui est pourvu à son extrémité avant d'une cloison 13 définissant une chambre de coupe 12. Dans la chambre de coupe 12 se trouve disposé un porte-lames 14 rotatif pourvu de nombreuses lames aptes à réaliser l'excavation du sol sur le front de taille du tunnel, ledit porte-lames 14 étant mis en rotation de façon convenable par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement 15 par un mécanisme d'entraînement connu (non représenté) disposé derrière la cloison 13. En outre, la chambre de coupe 12 est prévue pour recevoir en continu de l'eau sous pression à partir d'une conduite d'alimentation 16 et pour évacuer à travers une conduite d'évacuation 17 les déblais des formations de sol produits sur le front de taille par le porte-lames 14 et mélangés à l'eau sous pression. Les conduites d'alimentation 16 et d'évacuation 17 sont respectivement reliées à un réservoir deséparation 18 installé, par exemple, sur la surface du sol de façon que le mélange d'eau sous pression et de déblais des formations de sol en provenance de la conduite d'évacuation 17 soit déchargé dans le réservoir 18. Dans le réservoir de séparation 18, de façon générale, le composant solide des formations de sol du mélange se dépose et se sépare du composant liquide de l'eau boueuse contenant seulement des particules de terre de faible granulométrie, tandis que ladite eau boueuse est recyclée sous forme de suspension à partir du réservoir 18 et par la conduite d'alimentation 16 dans la chambre de coupe 12 pour être remise en circulation.Les conduites d'alimentation 16 et d'évacuation i7 sont pourvues de pompes 19 et 20 respectives qui ont pour effet de faire circuler en continu et en douceur l'eau boueuse sous pression entre la chambre de coupe et le réservoir 18, tout en maintenant constamment la chambre 12 à l'état complètement chargé en eau sous pression pour maintenir une pression efficace résistant à la pression du solsur le front de taille du tunnel. A mesure que l'excavateur 10 progresse en déblayant le front de taille, une surface de percement de la paroi du tunnel apparaît derrière le corps de bouclier 11, et une pluralité de segments de renforcement 21 sont installés en succession sous forme assemblée annulairement et de façon circonférentiellement espacée d'une distance désirée à partir de la surface de la paroi du tunnel. Dans ce cas, on injecte dans un espace compris entre les segments 21 et le corps de bouclier 11 un matériau de garnissage sous forme de mortier qui correspond en volume audit espace dans les limites duquel on fait alors durcir ledit matériau de façon à former une couche de renforcement 22.Par ailleurs, l'excavation pratiquée sur le front de taille du tunnel peut souvent provoquer l'apparition d'une cavité 23 par une excavation en excès généralement observée dans la partie supérieure du front de taille et due pour la plupart à une quelconque inégalité géologique sur le front de taille et, à moins de mesurer avec précision la grandeur de cette cavité 23, on ne peut pas remplir de façon suffisante avec le matériau de garnissage l'espace compris entre les segments 21 et le corps de bouclier 11 et on ne peut pas obtenir une formation complète de la couche de renforcement. Du fait que la nature incomplète de la couche de renforcement 22 fait courir le risque d'un affaissement ou effondrement du sol, le besoin se fait sentir de détecter et mesurer avec précision la cavité. Conformément à une caractéristique importante de l'invention, l'excavation en excès sur le front de taille du tunnel peut être détectée et mesurée avec précision par le dispositif de mesure de dépassement d'excavation comportant un capteur de pression répondant de façon fiable à une variation de pression déterminée à l'extrémité avant d'une tige de sondage avancée de façon rétractable par un dispositif d'actionnement dans le front de taille. En se référant maintenant à la figure 2, on peut voir un excavateur de tunnel du type à bouclier 30 en position d'excavation comme dans la figure 1. Un corps de bouclier 31 de l'excavateur 30 est prévu de façon à être propulsé en avant par des pistons de vérins 32 d'une façon bien connue.On comprendra aisément que le front de taille 38 du tunnel est excavé, simultanément avec l'avancement du corps 31, par les lames d'un porte-lames 36 rotatif tournant sous l'effet d'un arbre rotatif 35 traversant une cloison 34 pour définir une chambre de coupe 33. Dans le mode de réalisation de la figure 2, un dispositif 40 de mesure de dépassement d'excavation est prévu dans le porte-lames 36 qui a une épaisseur relativement faible dans la direction axiale du corps 31. Plus particulièrement, le dispositif 40 comprend un organe d'actionnement 41 de la sonde ayant de préférence la forme d'un ensemble à piston et cylindre fixé sur la paroi intérieure du porte-lames 36 par l'intermédiaire d'un support 42. Une tige de sortie ou de manoeuvre 43 telle qu'une tige de piston de l'organe d'actionnement 41 est assemblée à une tige de sondage 44 au moyen d'une goupille d'assemblage 45. La tige de sondage 44 porte à son extrémité de pointe un capteur de pression 46 (voir également la figure 3).La tige de manoeuvre 43 et la tige de sondage 44 formant une sonde conjointement avec le capteur de pression 46 sont accouplées en vue de leur fonctionnement à un détecteur de course 47 de la sonde de façon à détecter le déplacement des tiges 43 et 44 en reliant la tige 43 ou 44, par exemple au curseur d'un potentiomètre Le capteur de pression 46 de la sonde comprend de préférence une jauge de contrainte à fil résistant qui génère un signal électrique en réponse à une augmentation ou une diminution de la pression appliquée, tandis qu'un conducteur de sortie (non représenté) du capteur traverse la tige de sondage 44, la tige de sortie ou de manoeuvre 43 et l'organe d'actionnement 41 .en passant ensuite conjointement avec un conducteur de sortie (non représenté) du détecteur de course 47 à travers l'arbre 35 jusqu'à une position située derrière la cloison 3A et représentée par une ligne en traits interrompus Les conducteurs de sortie du capteur de pression 46 et du détecteur de course 47 sont connectés à un indicateur et enregistreur de pression (non représenté) monté dans la position située à l'arrière de la cloison 34 du corps 31 de façon à contrôler efficacement les variations de pression survenant au capteur de pression et la longueur de la course d'avance de la tige de sondage 44 Dans ce cas, de façon davantage préférable, les signaux de sortie du capteur de pression 46 et du détecteur de course 47 sont traités dans des circuits de traitement de signaux respectifs connectés aux conducteurs de sortie du capteur 46 et du détecteur 47, les sorties des circuits de traitement de signaux sont appliquées à un transmetteur dispose derrière la cloison 34 conjointement avec les circuits de traitement de signaux, les signaux de sortie du transmetteur sont reçus par un récepteur monté dans un poste de contrôle installé sur la surface du sol, puis le signal ainsi reçu est traité par une calculatrice couplée en vue de son fonctionnement avec l'indicateur et enregistreur de pression et à un panneau de commande de fonctionnement. Comme ce dispositif de traitement des signaux est évident pour les spécialistes du secteur technique considéré, il n'est pas représenté dans les figures mais, en cas de nécessita, on se référera au brevet des USA nO 4 152 027 et autres brevets précités dans lesquels est décrit un dispositif similaire excepté en ce qui concerne le fonctionnement commandé par calculatrice. Lors de l'avance de la tige de sondage 44 à partir du porte-lames 36 ou lors de sa rétraction dans celui-ci, un joint étanche aux liquides doit être d'autre part assuré entre la tige de sondage 44 et la paroi du porte-lames 36. En se référant en particulier à la figure 3, on peut voir un cylindre de support 49 qui est aligné sur un orifice 48 prévu pour laisser passer la tige de sondage 44 et qui est fixé sur la surface intérieure d'une portion de paroi circonférentielle 36a du porte-lames 36 en étant maintenu de façon stable par des barres de support 50 et 50a de façon qu'un manchon d'étanchéité 52 pourvu de joints toriques 51 d'étanchement soit introduit dans le cylindre de support 49 sur une partie adjacente à la portion de paroi circonférentielle 36a.Par suite, la tige de sondage 44 peut passer à travers l'orifice 48 et s'étendre radialement vers l'extérieur à partir du porte-lames 36, tout en conservant une étanchéité suffisante vis-à-vis des liquides grâce à la présence des éléments d'étanchéité constitués par les joints toriques 51 et le manchon 52. Bien que dans la figure 2, l'organe d'actionnement 41 de la sonde soit représenté supporté par le support 42, ledit organe d'actionnement 41 peut être fixé conjointement avec le cylindre de support 49 lui-même supporté par les barres de support 50 et 50a en se trouvant ainsi renforcé de façon supplémentaire. On décrit ci-après le fonctionnement de l'excavateur équipé du dispositif de mesure de dépassement d'excavation conforme à l'invention. On fait tourner le porte-lames 36 au moyen du mécanisme de rotation connu par l'intermédiaire de l'arbre rotatif 35, tandis que les vérins 32 sont actionnés pendant que le front de taille 38 du tunnel est excavé par les lames 37 en réalisant l'avance du corps de bouclier 31 dans le sol.En même temps, de l'eau boueuse sous pression est alimentée à partir du réservoir de séparation dans la chambre de coupe 33 par l'intermédiaire de laconduite d'alimentation 16 de façon à s'opposer à la pression du sol sur le front de taille, et de l'eau boueuse sous pression mélangée de débris d'excavation des formations de sol est déchargée dans le réservoir à travers la conduite d'évacuation 17 de façon à mettre en circulation en continu de l'eau boueuse contenant seulement que des particules de terre de faible granulométrie entre la chambre de coupe 33 et le réservoir. Après chaque avance du corps 31 sur une distance d'excavation prédéterminée qui est de préférence établie de façon à correspondre à une longueur d'assemblage d'un segment, l'organe d'actionnement 41 de la sonde est déclenché par exemple au moyen du plateau de commande de fonctionnement actionné comme mentionné en partie ci-dessus, de façon à faire s'avancer radialement vers l'extérieur la tige de sortie ou de manoeuvre 43 et la tige de sondage 44.Une fois que la tige de sondage 44 s'est avancée à l'extérieur du porte-lames 36 d'une distance "1" vers le front de taille 38 du tunnel et que le capteur de pression 46 monté à l'extrémité de pointe de la tige 44 vient buter contre le sol, la pression qui se trouve appliquée sur le capteur de pression 46 augmente immédiatement comme dans la courbe représentée dans la figure 4 et la position du front de taille 38 du tunnel peut par suite être détectée.C'est-à-dire que, tandis que la courbe de pression du capteur 46 indique selon la figure 4 une valeur FIXEE représentant une pression fixée sensiblement constante généralement égale à la pression de l'eau boueuse retenue sur le front de taille du tunnel avant que le capteur 46 vienne buter contre ledit front de taille, la courbe croit de façon abrupte aussitôt que le capteur atteint le front de taille, après quoi la longueur d'avancement de la tige de sondage 44 est détectée par le détecteur de course 47 pour déterminer la distance entre le porte-lames 36 et le front de taille 38 du tunnel. En outre, il peut être possible de déterminer également le degré de tendreté ou faiblesse du sol en cherchant à faire progresser davantage la tige de sondage 44 dans le sol en poursuivant la manoeuvre de l'organe d'actionnement 41 en fonction d'une nouvelle variation de pression détectée par le capteur 46 et d'une nouvelle longueur d'avance de la tige de sondage 44 détectée par le détecteur 47 utilisées comme paramètres. Ces valeurs détectées par le capteur de pression 46 et le détecteur de course 47 sont enregistrées dans un enregistreur et stockées dans la mémoire de la calculatrice. I1 est aisément compréhensible de la part des spécialistes du secteur technique considéré que la grandeur du dépassement d'excavation ayant eu lieu spécifiquement dans le front de taille du tunnel pendant l'excavation peut être mesurée avec précision par ces opérations de la tige de sondage 44 et du capteur de pression 46 tels que décrits ci-dessus, et que ces résultats de mesures peuvent être efficacement utilisés pour déterminer la quantité du matériau de garnissage destiné à remplir l'espace compris entre la surface de la paroi de percement du tunnel et la périphérie des segments assemblés apparaissant juste derrière le corps de bouclier 31 dans son mouvement d'avance. La figure 5 représente un autre mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel les mêmes éléments que ceux du mode de réalisation précité sont désignés par les mêmes repères numériques que dans la figure 1 additionnés de 100. Dans le mode de réalisation maintenant considéré, un dispositif 140- de mesure de dépassement d'excavation est fixé sur la surface de paroi périphérique intérieure d'un corps de bouclier 131 cylindrique de façon qu'une tige de sondage 144 puisse traverser de façon étanche aux liquides le corps de bouclier 131 pour s'avancer hors de celui-ci diagonalement vers le haut et en avant.En conséquence, la distance I entre le corps 131 et le point auquel la tige de sondage 144 vient buter contre le front de taille 138 du tunnel peut être trouvée dans ce mode de réalisation suivant l'équation 1 = L x sin e, dans laquelle L est la longueur d'avancement de la tige 144 et e est,l'angle de la tige 144 par rapport à la surface périphérique extérieure du corps de bouclier 131. Le mode de réalisation de la figure 5 est efficace en particulier dans le cas où le front de taille du tunnel comprend essentiellement des pierres et des matériaux analogues qui constituent des obstacles à l'avancement de la tige à partir du porte-lames, ainsi que dans le cas où à l'intérieur du porte-lames 136 n'existe pas d'espace pour le logement du dispositif de mesure, entre autres cas particuliers. Les autres dispositifs et éléments de fonctionnement de la figure 5 sot essentiellement les mêmes que ceux des modes de réalisation des figures 2 et 3 de même que ceux de la figure 1. Par exemple, le joint étanche aux liquides entre la paroi périphérique du corps 131 et la tige de sondage 144 peut être réalise essentiellement suivant le même agencez ment que dans le cas de la figure 3. De plus, on peut modifier de diverses manières le dispositif de mesure de dépassement d'excavation conforme à l'invention. Par exemple, alors que le détecteur de course comprenant un potentiomètre a été représenté pour mesurer la course électriquement dans le mode de réalisation représenté, la course peut être mesurée d'après le débit d'huile sous pression et analogues dans le cas où l'on utilise un dispositif à piston et cylindre oléodynamique ou encore dans le cas où l'avance de la tige de sondage ou de la tige de manoeuvre s'effectue à une vitesse constante, on peut mesurer la course d'avancement en multipliant la grandeur d'avancement par seconde par le temps écoulé jusqu'à l'élévation brusque de pression par rapport à la pression prédéterminée ou FIXEE. En outre, l'excavateur à bouclier peut être pourvu des deux types de dispositifs de mesure de dépassement d'excavation selon les figures 2 et 5. Revendications 1. Dispositif de mesure d'un dépassement d'excavation par un excavateur de tunnel du type à bouclier dans lequel un porte-lames est mis en rotation dans une chambre de coupe définie dans la partie frontale d'un corps de bouclier de l'excavateur de façon que les lames dudit porte-lames exécutent l'excavation du front de taille du tunnel pendant la progression dudit corps de bouclier en vue de former un tunnel, ledit dispositif comprenant une sonde rétractable avancée radialement à l'extérieur d'une partie de l'excavateur et des moyens pour détecter la longueur d'avancement de ladite sonde pour mesurer spécifiquement la grandeur d'un dépassement d'excavation d'après une position dans laquelle la sonde vient buter contre le front de taille du tunnel, caractérisé par le fait que la sonde comprend une tige de sondage mue suivant un mouvement de va-et-vient par un organe d'actionnement de la sonde, et un capteur de pression fixé sur l'extrémité de pointe de ladite tige de sondage, ledit dispositif comprenant en outre un détecteur pour détecter la course de la sonde par détermination d'au moins la longueur d'avancement de la tige de sondage lorsque le capteur de pression a atteint le sol. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite sonde est prévue dans ledit porte-lames dudit excavateur de tunnel du type à bouclier de façon que ladite tige de sondage pourvue dudit capteur de pression puisse être avancée radialement à l'extérieur de la partie de paroi périphérique du porte-lames d'une façon étanche aux liquides. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la sonde est prévue dans le corps de bouclier derrière la chambre de coupe de l'excavateur de façon que la tige de sondage pourvue du capteur de pression puisse être avancée de façon rétractable sensiblement radialement à partir de la paroi périphérique du corps de bouclier d'une façon étanche aux liquides. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la tige de sondage pourvue du capteur de pression est prévue de façon à pouvoir être avancée d'une manière rétractable à l'extérieur de la partie de paroi périphérique du corps de bouclier diagonalement en avant et vers le haut suivant un angle par rapport à ladite partie de paroi périphérique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la distance 1 la plus courte destinée à être détectée entre le front de taille du tunnel et le corps de bouclier est déterminée par l'équation 1 = L x sin i, dans laquelle L est la longueur d'avancement de ladite tige de sondage à l'extérieur du corps de bouclier et e est ledit angle.