Brevet FR2585067A1 — publié le 19870123

L'invention- concerne un bouclier de creusement de galeries souterraines à grande profondeur, et en particulier à des profondeurs de l'ordre de 200 m. Pour réaliser des galeries cylindriques dans des terrains contenant de l'eau, c'est-à-dire en général des terrains situés en dessous de la nappe phréatique, on utilise des dispositifs appelés boucliers.De tels dispositifs compor- tent de façon générale un élément de protection qui est un cylindre métallique dont le diamètre correspond à celui de l'excavation souhaitée, muni à l'avant d'un dispositif d'exca- vation. A l'arrière de ce dernier, on trouve un élément d'éva- cuation du terrain excavé qui est soit une pompe soit une vis, puis un dispositif de mise en place des voussoirs préfa- briqués à l'intérieur de l'élément de protection. Un joint d'étanchéité entre l'élément de protection et les voussoirs posés empêche la venue d'eau à l'intérieur du tunnel ainsi édifié. L'ensemble du bouclier se déplace à l'aide de vérins de poussée qui prennent appui sur le revêtement en voussoirs posé à l'intérieur de l'élément de protection. Afin de maintenir la pression sur le terrain que l'on est en train d'excaver, on a d'abord utilisé une contre- pression d'air comprimé puis depuis un certain temps on utiîi- se des boues, et en particulier de la bentonite de façon à stabiliser la surface du terrain que l'on excave (bouclier à bentonite) ou en équilibrant soigneusement les quantités de matériaux excavés et de matériaux évacués (bouclier en sol confiné). L'élé- ment d'excavation ou plateau d'extraction des matériaux, qui est situé à l'avant de l'élément de protection et comporte des outils de coupe de dimensions et de formes variées, est entraîné en rotation par un ou plusieurs moteurs, par l'intermédiaire d'une couronne dentée et d'une couronne de roulement. Pour éviter que les boues ou le terrain excavé n'envahissent l'intérieur de l'élément de protection, il est nécessaire de prévoir un joint tournant entre les parties fixes et parties tournantes. La charge hydrostatique sous laquelle ce type d'appareil peut fonctionner est limitée par le joint tournant qui constitue une pièce délicate, surtout pour les boucliers de grand diamètre A l'heure actuelle les joints tournants peuvent supporter en activité des pressions de l'ordre de 5 kg/cm (500 kPa). Il n'est donc pas possible de creuser des galeries sous-marines à des profon- deurs supérieures à 50 m en utilisant de tels boucliers. En effet, la présence de failles dans le terrain donnerait lieu à des pressions supérieures à celles que peut supporter le joint tournant. Par exemple, à une profondeur de 100 m, on aurait une pression supérieure à 10 kg/cm2 (1000 kPa). La mise au point de joints tournants de grand diamè- tre pouvant supporter des pressions supérieures à celles indiquées cidessus se révèle extrêmement délicate et complexe et n'a pas abouti A l'heure actuelle. Pour pallier cet inconvénient et utiliser des bou- cliers de ce type pour creuser des galeries sous-marines à grandes profondeurs, l'invention fournit un bouclier qui comporte, à l'arrière du joint tournant, une cloison étan- che fixe, ne comportant aucun joint tournant constituant un caisson étanche dans lequel on établit une contre-pression telle que la pression différentielle s'exercant sur le joint tournant soit maintenue à une valeur prédéterminée dans les limites de celles que le joint accepte. De façon générale, la cloison étanche est située à l'arrière du ou des moteurs de mise en rotation du plateau d'extraction et comporte une porte étanche et/ou un ou plu- sieurs trous d'homme permettant une inspection de la zone étanche ainsi créée. L'élément d'évacuation qui traverse obligatoirement la cloison étanche, mais qui est fixe, est rélié à celle-ci par un joint fixe qui peut être conçu pour supporter des pressions bien supérieures à celles qui existeront. La chambre étanche est mise sous pression par de l'eau ou par des boues de bentonite ou de produits similaires. Des capteurs de pression à l'avant de l'appareil d'extraction déterminent la pression à laquelle va être soumis le joint tournant et un système automatique de régula- tion des pompes de mise sous pression de la chambre étanche permet d'y établir la contre-pression nécessaire. L'invention va maintenant être décrite plus en détail avec référence au dessin annexé dans lequel: La figure 1 est une représentation schématique d'un bouclier incorporant la cloison étanche de la présente inven- tion. Les boucliers de creusement de galeries souterraines sont bien connus et on ne décrira leur structure et leur fonctionnement que d'une façon générale afin de permettre d'apprécier l'intérêt de la présente invention. Le bouclier 1 est constitué d'un élément de protec- tion 2 constitué par un cylindre métallique dont le diamètre correspond à celui de l'excavation à creuser. Un plateau d'extraction des matériaux 3 est situé à l'avant de l'élément de protection et est entraîne en rotation par un ou plusieurs moteurs 31 (seulement l'un d'entre euxest représenté sur la figure). Le plateau 3 muni des outils de coupe 30 est relié par un arbre 36 à un élément fixe 37. Le moteur 31 met en rotation une couronne dentée 32 qui entraîne la partie tour- nante 33 du plateau d'extraction en mettant l'ensemble en rotation. Des chemins de roulement 34 sont prévus entre la partie tournante 33 et le bâti fixe à l'intérieur de l'élément de protection 2. Le contour extérieur de la partie 0 tournante 33 et le contour correspondant du bâti 14 à l'inté- rieur de l'élément de protection peuvent varier et ne pren- nent pas obligatoirement la configuration représentée sur la figure. Pour empêcher que les matériaux extraits ou la boue utilisée pour stabiliser le terrain ne passent entre les éléments fixes et les éléments tournants, il est prévu un ou deux joints rotatifs 6. Pendant l'extraction des matériaux à l'avant, un dispositif 5 de pose de voussoirs préfabriqués met en place des voussoirs 11 sur toute la périphérie du tunnel creusé, à l'intérieur de l'élément de protection 2. Des joints d'étanchéité 12 entre l'élément de protection 2 et le dernier voussoir posé empêchent la venue d'eau à l'intérieur du tunnel. Des vérins d'avancement 13 prenant appui sur les voussoirs posés permettent de faire avancer l'ensemble. Un dispositif 4 d'évacuation des matériaux extraits qui traverse de façon étanche l'élément fixe 37 du plateau d'ex- traction 3 enlève les matériaux, par exemple à l'aide d'une vis 40. Si le bouclier est un bouclier à bentonite, de la bentonite est introduite dans l'espace 35 afin de maintenir constante la pression du terrain. S'il s'agit d'un bouclier en sol confiné, l'équilibre entre le volume de sol extrait et le volume de sol évacué est maintenu grâce à un appareil- lage approprié. La présence du joint tournant limite l'utili- sation des machines actuelles à une pression de l'ordre de 500 kPa, ce qui correspond à une hauteur d'eau de 50 m environ. De ce fait, si l'on creuse une galerie sous-marine à une profondeur supérieure à 50 m, l'entrée du plateau d'extraction dans une faille du terrain provoque une augmen- tation brutale de la pression à laquelle est soumis le joint. On a donc pensé à maintenir constante la pression effective que subit le joint en créant une contre-pression à l'arrière du joint. Comme il n'est pas possible de créer une telle pression dans l'ensemble de l'élément de protection, on crée cette contre-pression dans un caisson étanche 70 situé à l'arrière du joint. Le caisson étanche 70 est délimité par la partie fixe 37 du plateau d'extraction, la partie tournante 33 de ce plateau, le bâti 14 de l'élément de protection 2 qui loge la partie tournante 33, le bâti 15 de l'élément de protection.2, le bâti 15 étant situé à l'arrière du bâti 14, et par une cloison étanche 7 qui vient prendre appui de façon étanche sur un décrochement 16 du bâti 15. L'élément d'évacuation du terrain traverse la cloison 7, l'étan- chéité étant assurée par un joint fixe 41. Le caisson étanche 70 ainsi formé peut être 'mis sous pression par introduction d'eau ou de boues sous pression. Des détecteurs de pression déterminent la pression existant dans la cavité 35, communiquent cette valeur à une unité de calcul (par exemple l'ordinateur commandant le fonctionnement du bouclier 1) qui régule alors le fonc- tionnement des pompes d'alimentation du caisson 70 pour maintenir le joint tournant à une pression différentielle appropriée. Ainsi, si la pression dans la cavité 35 est de 1200 kPa (12 kg/cm) correspondant à une hauteur d'eau de 120 m environ, il suffira de créer dans le caisson étanche 70 une pression de 800 kPa (8 kg/cm2), pour que le joint travaille à une pression différentielle effective de 400 kPa (4 kg/cm). La cloison étanche 7 comporte éventuellement une porte étanche et/ou des trous d'homme étanches permettant d'accéder à l'intérieur du caisson 70 lorsque le dispositif ne fonctionne pas. Ceci permet des visites d'entretien ou de réparation des moteurs 31. Pour des raisons pratiques il est plus simple de placer les moteurs 31 totalement à l'intérieur du caisson étanche pour éviter des problèmes de transmission, car on sait fabriquer des moteurs pouvant fonctionner dans l'eau ou dans les boues. Il est évident que l'invention n'est pas limitée au seul exemple représenté et décrit et que de nombreuses variantes sont possibles. En particulier, le plateau d'extrac- tion peut être oblique par rapport à l'élément de protection, il peut y avoir plusieurs dispositifs d'extraction des maté- riaux, l'emplacement du joint tournant peut être modifié, ainsi que l'emplacement du ou des moteurs de mise en rota- tion. 6 2585067 - REYENDICATIONS - 1.- Bouclier de creusement de galeries cylindriques souterraines, comportant un élément de protection (2) sous forme d'un cylindre métallique, un plateau d'extraction (3) des matériaux entra1né en rotation à l'avant du cylindre métallique, un élément fixe d'évacuation (4) des matériaux et un dispositif (5) de mise en place de voussoirs préfabriqués à l'intérieur de l'élément de protection, l'étanchéité entre le plateau d'extraction tournant et l'élément de protection fixe étant assurée par un joint tournant (6), caractérisé en ce qu'il comporte en outre, à l'arrière du joint (6), une cloison (7) étanche fixe ne comportant aucun joint tournant et que l'on établit dans le caisson étanche (70) ainsi créé une contre-pression telle que la pression différentielle s'exerçant sur le joint tournant soit maintenue à une valeur acceptable par le joint. 2.- Bouclier selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément fixe (4) d'évacuation des matériaux traverse la cloison étanche (7), l'étanchéité étant assurée par un joint fixe (41). 3.- Bouclier selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la cloison étanche comporte une por- te étanche et/ou un ou plusieurs trous d'homme étanches. 4.- Bouclier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des capteurs de pression déterminent la pression des matériaux à l'avant du plateau d'extraction et le communiquent à une unité de calcul qui régule en conséquence le fonctionnement du système de mise sous pression de la chambre étanche. 7 2'585067 5.- Bouelier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre étanche est mise sous pression avec de l'eau. 6.- Bouclier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre étanche est mise sous pression avec de la bentonite ou une boue.