Brevet FR2648511A1 — publié le 19901221

--1-- "EXCAVATRICE POUR TRAVAUX SOUS TERRE". 1621/89 La présente invention concerne une excavatrice pour travaux sous terre comportant une chambre définie dans sa partie d'extrémité avant et une fraise rotative montée sur l'extrémité avant d'un arbre rotatif supporté de manière à pénétrer dans la chambre, des matières entrant dans la formation du sol, telles que de la terre, du sable, des graviers, de l'argile et leur mélange, excavés par la fraise étant reçues dans la chambre. L'excavatrice pour travaux sous-terre, du type mentionné, doit être placée dans un puits vertical foré dans le sol puis être en- trainée horizontalement depuis ce puits dans le sol pour excaver celui-ci afin d'être utilisée efficacement pour l'installation de tuyaux, par exemple de tuyaux en ciment du type HUME, ou analogues, ou bien pour creuser un tunnel dans un sol dont la teneur en graviers relativement gros est élevée. Pour installer, par exemple, des tuyaux sous terre, on fore en général un puits vertical dans le sol jusqiQ une profondeur voulue pour y placer les tuyaux et on enfonce dans le sol, horizontalement, -2- à partir de ce puits vertical le tuyau ou les tuyaux de tête dans le sol, mais cette façon de procéder a pour inconvénient que l'entraînement des tuyaux depuis l'extrémité arrière se révèle impossible quand la force de résistance du sol est importante ou quand, dans une couche de sol a forte teneur en graviers, les graviers s'accumulant à l'ex- trémité avant du tuyau de tête empêche l'avancement de ce tuyau de tête et des tuyaux suivants ou, tout au moins, les dévie du trajet d'avan- cement voulu pour l'installation du tuyau. Dans la demande de brevet japonais publié N'57-39359, par exemple, on a décrit une excavatrice pour travaux sous terre munie, au lieu du tube. de tête précité, d'une fraise excavatrice qui fonctionne de manière à excaver le sol et, en outre, à broyer les graviers. Plus concrètement, cette excavatrice comprend une chambre définie dans sa partie d'extrémité avant pour recevoir les matières entrant dans la fcrm.ation du sol excavé, un arbre rotatif disposé de manière à pénétrer dans cette chambre, et une fraise excavatrice comportant, dans sa partie d'extrémité avant, des taillants pour entailler le sol du front d'attaque du tunnel ainsi que des taillants pour broyer les graviers. Quand on utilise cette exca- vatrice pour travaux sous terre, on peut effectuer l'excavation dans le scl d'une fa;on plus efficace que dans le procédé classique utilisant uniquement un tuyau de tête, cela même si le sol oppose une force de résistance imDortante ou si sa teneur en graviers est éievée et s'il comprend de gros graviers, compte tenu de la possibilité d'excaver le sol en enlevant n'importe qu'elle matière gênante et en obtenant une meilleur possibilité d'excavation et une meilleure vitesse d'excavation. Toutefois, cette excavatrice soulève encore des problèmes en raison du fait que la présence concomitante des taillants pour broyer les gra- viers et des taillants pour creuser le sol augmente le prix de revient de la fraise d'excavation et, finalement, de l'excavatrice et que, quand le sol à forte teneur en graviers est relativemer.t mou en raison des autres matières que le gravier, la force de retenue du sol vis-à-vis des graviers individuels respectifs se traduit uniquement par une faible contrainte dans les graviers individuels même lorsqu'ils sont heurtés par les taillants de broyage, de sorte que les graviers restent dans le trajet d'avancement de l'excavatrice et rendent le déplacement de 2 6 4 8511 -3- cette dernière presque impossible. Dans la demande de brevet japonais publié N 61.30118, on a en outre décrit une autre excavatrice pour travaux sous terre comportant une chambre de broyage, définie dans la partie d'extrémité avant de cette excavatrice et dans laquelle sont disposées une pluralité de molettes d'une forme globalement conique pour broyer de gros graviers, un arbre rotatif disposé de manière à pénétrer dans la chambre et une fraise d'excavation montée sur l'extrémité avant de l'arbre et comportant des rayons munis de taillants d'excavation. Dans cette excavatrice, les graviers peuvent être introduits dans la chambre de broyage afin d'y être broyés en étant maintenus entre les molettes de broyage de gros graviers faisant corps avec la face arrière de la fraise et la paroi de broyage périphérique intérieure de la chambre de broyage de sorte que les gros graviers, en particulier, ne peuvent pas s'accumuler dans le trajet d'avancement de l'excavatrice et la fonction d'excavation peut être meilleure que dans le cas de la demande de brevet japonais précitée N'57- 39359. Toutefois, malgré cet avantage, la structure de l'excavatrice est compliquée par suite de l'agencement servant à broyer les gros graviers sans compter qu'il est nécessaire de coupler l'arbre rotatif à une source de force motrice extérieure de puissance élevée pour que les graviers de taille et de dureté très variables puissent être broyés de façon sûre. En outre, les taillants servant à broyer les gros graviers s'usent rapidement par suite de leur contact répété avec les graviers pour les broyer et un problème de longévité se pose. Par conséquent, un problème économique subsiste en raison du fait que le prix de revient de l'excavatrice se trouve accru dans une large mesure. C'est pourquoi, la présente invention a pour objet principal une excava- trice pour travaux sous terre qui peut éliminer les problèmes mentionnés ci-dessus de façon à se révéler particulièrement utile lorqu'on l'utilise pour installer des tuyaux, en particulier dans un sol à gros graviers ou un sol analogue, ou même pour forer un tunnel à travers un tel sol tout en réussissant à baisser efficacement les prix de revient. Selon la présente invention, on atteint l'objet mentionné ci-dessus à l'aide d'une excavatrice pour travaux sous terre dans laquelle: un -4corps cylindrique définit, dans sa partie d'extrémité avant, avec une cloison étanche, destinée à recevoir la terre, les graviers et les matiè- res analogues entrant dans la formation du sol et qui ont été excavés, un arbre rotatif traversant, de façon rotative, la cloison étanche fait saillie dans la chambre, une source de force motrice destinée à l'arbre rotatif est disposée derrière la cloison étanche, une fraise d'excavation est montée sur l'extrémité avant de l'arbre rotatif, et un moyen formant une ouverture dans la chambre est prévu pour décharger depuis cette ouverture les matières excavées, la fraise d'excavation comportant un plateau muni d'une pluralité de taillants et d'une pluralité de trous pour le passage à travers ces derniers des matières excavées entrant dans la formation du sol, l'excavatrice susvisée étant caractérisée en ce que l'arbre rotatif peut être déplacé dans sa direction axiale avec la fraise d'excavation qui y est montée, le plateau de la fraise ayant une forme conique et l'ouverture du moyen de déchargement ayant un diamètre plus grand que celui des trous du plateau de la fraise. Dans l'excavatrice pour travaux sous terre, agencée de la manière précitée, la surface conique du plateau de fraise a pour effet que, au fur et à mesure que l'excavatrice avance, les graviers présents dans le sol sur le trajet d'avance de l'excavatrice sont refoulés de nanière à se déplacer progressivement le long de la surface conique, radialement vers l'extérieur, pendant qu'ils sont soumis au mouvement d'oscillation vers l'avant et vers l'arrière de la fraise d'excavation faisant corps avec l'arbre rotatif qui se déplace axialement vers l'avant et vers l'arrière, ce qui fait que les graviers situés en avant du plateau de fraise sont remplacés par d'autres matières de formation de sol se trou- vant dans le sol autour de l'excavatrice et noyées dans la zone du sol ad acente à la périphérie extérieure des tuyaux à installer ou du tunnel à percer, c'est-à-dire qu'ils sont déplacés jusqu'à un endroit oa ils ne gênent pas l'avancement de 'excavatrice. En d'autres termes, les trous pratiqués dans le plateau de fraise, qui doivent être plus petits que l'ouverture du moyen de déchargement disposé à la suite dans la chambre, ont également pour effet que les graviers dont la taille dépasse celle de ceux qui peuvent être, en pratique, déchargés par le moyen de déchargement ne soient pas reçus dans la chambre mais soient finale- 2648 5 11 -5- ment refoulés dans le sol environnant situé autour de l'excavatrice. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront clairement dans la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés qui représentent des modes de réalisation préférés et sur lesquels: La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation pour travaux sous terre selon la présente invention; la figure 2 est une vue de face de la fraise d'excavation de l'excava- trice de la figure 1; les figures 3 et 4 sont des vues pour expliquer différents aspects des trous traversants pratiqués dans la fraise d'exca ation utilisée dans l'excavatrice de la figure 1; et les figures 5 et 6 sont des vues-en coupe fragmentaires montrant d'autres modes de réalisation de la fraise d'excavation selon la présente inven- tion. En se référant aux figures 1 et 2 on voit que l'on y a représenté une excavatrice pour travaux sous terre pouvant être utilisée pour ins- taller des tuyaux souterrains, tels que des tuyaux en ciment du type HIU1jE. Pour l'installation de tuyaux, l'excavatrice a un diamiètre exté- rieur de 20 à 40 centimètres, mais ce diamiètre peut être modifié de façon appropriée en fonction du diamètre requis des tuyaux à installer. En plus d'une telle installation de tuyaux, la présente invention peut également être utilisée, comme on s'en apercevra facilement, au percement de tunnels au moyen, par exemple, d'un système de percement de tunnel du type à bouclier, et, dans ce cas, l'excavatrice peut avoir un diamètre extérieur adapté au diamètre requis du tunnel, par exemple plusieurs mètres. Plus concrètement, l'excavatrice 10 pour travaux sous terre cm- prend, d'une façon générale, un corps cylindrique 11, une fraise 12 d'excavation disposée dans la partie d'extrémité avant du corps 11. La fraise 12 d'excavation est montée sur l'extrémité avant d'un arbre rotatif 13 afin d'être entraînée avec ce dernier tandis que l'arbre rotatif 13, lui-même, coincide'avec l'axe du corps 11 en étant supporté, 6- par l'intermédiaire d'un palier 14 d'arbre, par une cloison étanche de manière à pouvoir être entraîné en rotation et & pouvoir être déplacé axialement, et une chambre 16, dans laquelle sont dirigées les matières entrant dans la formation du sol et provenant de ce-sol, est définie entre la fraise 12 d'excavation et la cloison étanche 15. En outre, dans le corps cylindrique 11, une plaque de fixation 17 est dispo- sée à un endroit situé en arrière de la cloison étanche 15, un moteur réversible 18, comportant un pignon de sortie 19, est fixé à cette plaque de fixation 17, et un pignon d'entraînement 20, monté sur l'arbre rotatif 13, engrène avec le pignon 19. Dans ce cas, le pignon d'entraînement est calé à l'aide d'un assemblage par cannelures sur l'arbre rotatif 13 de manière que, quand la force rotative de sortie du moteur 18 est transmise par l'intermédiaire du pignon 20 à l'arbre 13, ce pignon 20 puisse être déplacé par rapport à l'arbre 13 dans la direction axiale de ce dernier. D'autre part, la fraise 12 d'excavation comprend un plateau 21 de forme sensiblement conique dans son ensemble et ce plateau 21 est muni, d'une part, d'un taillant central 22 qui fait saillie de manière à se trouver dans la pcsition située la plus en avant au centre du pla- teau et correspondant à l'extrémité avant de l'arbre rotatif 13 et, d'autre part, d'une pluralité de taillants périphériques 23 dispcsés de préférence de manière à s'étendre radialement vers l'intérieur depuis la périphérie la plus extérieure du plateau 21 et à faire saillie de celuici vers l'avant. De plus, dans la surface conique du plateau 21, une pluralité de trous traversants 24 sont pratiqués entre les taillants périphériques adjacents 23. L'angle de cône du plateau 21 de la fraise, c'est-à-dire l'angle que forme une ligne reliant le sommet A à un point périphérique B et une ligne coupant à arngle droit l'axe de l'arbre 13 doit être choisi de façon appropriée, de manière à être compris entre 0 et 45'C compte tenu de conditions telles que la nature géologique du sol dans lequel le tunnel ou le passage pour le tuyau doit être creu- sé. En outre, dans la partie inférieure du corps cylindrique 1I, est disposé un moyen 25 de décharge, comme par exemple un convoyeur à vis -7analogue, de sorte qu'une ouverture 26 d'extrémité avant en tant qu'orifice d'entrée du moyen 25 de déchargement est présente dans la partie inférieure de la chambre 16 tandis qu'une partie notable de ce moyen 25 s'étend vers l'arrière au delà de la cloison étanche 15 et de la plaque de fixation 17 afin de décharger, par l'intermédiaire de l'ouverture 26, en arrière de la cloison 15 et de la plaque de fixation 17, les matières qui forment le sol et qui ont été excavées et intro- duites dans la chambre 16. Pour traiter les matières qui entrent dans la formation du sol et qui ont été excavées, on'utilise, en général, un système de déchargement hydraulique, mais on peut aussi utiliser un système à 'boue sous pression. Quand on utilise le système de déchargement hydraulique, on a recours, par exemple, à un conduit (non représenté ici) d'alimentation de suspen- sion sous pression s'étendant axialement à travers l'arbre rotatif 13 et à travers la cloison étanche,-afin d'introduire, de façon continue, une suspension sous pression dans la chambre 16 pour créer une pression capable de résister à la pression du sol, au front d'attaque du tunnel en cours d'excavation, tandis que les matières qui entrent dans la forma- 2 tion du sol et qui sont excavées et intrcduites dans la chambre 16 sont déchargées de celle-ci par le moyen de déchargement 25 en étant entrai- nées dans l'ouverture 26 avec la suspension introduite. Dans le cas o ceci se révèle nécessaire, on peut ajouter à la suspension sous en tant qu'additif un solvant, un agent conférant de la viscosité, ou tout autre produit analogue. Comme on le comprendra facilement, le mélange qui comprend la suspension et les matières de formation du sol et qui sont déchargées par le moyen de déchargement 25 est acheminé, par exemple jusqu'à une cuve de décantation de suspension, installée à la surface du sol (non représentée) en vue d'un recyclage. Par contre, quand on 33 utilise un système à boue sous pression, en introduit dans la-chambre 16, par l'intermédiaire d'un conduit s'étendant axialement dans l'arbre rotatif 13, un agent qui provoque, dans une certaine mesure, le durcis- sement de la boue extrêmement fluide et qui est bien connu en soi, afin de former une boue sous pression et assez visqueuse qui résiste à la 3ression du sol de la face d'attaque du tunnel et cette boue sous :ression est ensuite déchargée vers l'extérieur par un moyen de déchar-.- -8- gement, tel qu'un convoyeur à vis, maintenant l'état de la boue sous pression. En outre, une came 27 est fixée à l'arbre rotatif 13 de manière à être placée derrière la cloison étanche 15 et à être amenée en contact de roulement avec des galets 30 supportés par des paliers 29 intégrés dans une plaque de support 28 fixée dans 1e corps i1, entre la cloison étanche 15 et la plaque de fixation 17. Dans le présent cas, la came 27 comporte une surface de poussée ondulée, comportant des parties alter- nativement concaves et convexes dans la direction radiale de sorte que, lorsque les galets 30 roulent sur cette surface de poussée ondulée, l'arbre rotatif 13 portant la came 27 est amené à se déplacer vers l'avant et vers l'arrière dans la direction axiale. L'arbre rotatif 13 porte, à son extrémité arrière se terminant derrière la plaque de fixation 17, un disque de support 31 qui ne suit pas la rotation de l'arbre 13 mais suit son déplacement vers l'avant et vers l'arrière, un ressort 32 de remise en position initiale étant disposé entre la plaque de fixation 17 et le disque de support 31 afin d'être comprimé par le déplacement avant de l'arbre 13 sous l'effet du contact roulant des galets 30 avec la surface de pousée ondulée de la came 27 entraînée en rotation puis à faire revenir élastiquemen.t l'arbre 13 vers l'arrière. En outre, le corps cylindrique 11 doit être propulsé d'une manière connue en soi au moyen de vérins de propulsicn 33 (un seul est représenté), disposés de manière A attaquer la partie d'extrémité arrière du corps 1il et mutuellement espacés dans la direction circonférentielle, ou à l'aide d'un moyen de propulsion séparé,.disposé de manière à pousser l'extrémité arrière du coffrage de tuyaux installé derrière l'exca- vatrice. On va maintenant décrire le fonctionnement de l'excavatrice pour travaux sous terre selon l'invention. Le moteur réversible 18, entrainé en rotation dans l'un ou l'autre sens, fait tourner, par l'intermédiaire du pignon de sortie 19 et du pignon d'entrainement 20, l'arbre rotatif !3 avec le pignon 20 qui y est calé afin de faire tourner finalement la fraise d'excavation 12, le sol de la face d'attaque du tunnel se trouvant ainsi excavé. Le contact roulant entre la surface de poussée -9- ondulée de la came 27 montée sur l'arbre 13 et les rouleaux 30 entraîne une répétition du déplacement vers l'avant auquel s'oppose la force de rétablissement du ressort 32 et du déplacement vers l'arrière dO à cette force de rétablissement du ressort 32. L'arbre rotatif 13 est ainsi amené à effectuer simultanément une rotation autour de son axe et un déplacement le long de son axe. Dans ce cas, le déplacement vers l'avant et le déplacement vers l'arrière de l'arbre rotatif 13 doit, de préférence, être réglé de telle sorte que l'espace libre maximum entre le bord terminal avant du corps 11 et le bord périphérique exté- rieur du plateau 21 (voir figure 1) empêche éfficacement la pénétration dans la chambre 16 de tous graviers relativement gros ou allongés. Les matières entrant dans la formation du sol et excavées à l'endroit du front d'attaque du tunnel doivent être introduites dans la chambre 16 principalement par l'intermédiaire des trous traversants 24 et sont transportées, en passant par l'ouverture 26, jusqu'à un endroit situé à l'arrière du corps 11 par le moyen de déchargement 25. Les trous traversants 24 ont un diamètre plus petit que celui de l'ouverture 26 du moyen de déchargement 25, et aucun gravier ayant une dimensicn supé- 23 rieure à celle de l'ouverture 26 ne peut donc pénétrer dans la chambre 16. - Dans le cas o un grand nombre de graviers, y compris de gros gra- viers, sont présents dans le sol de la face d'attaque du tunnel, ces graviers sont soumis à une sélection entre les gros graviers qui ne peuvent pas traverser les trous 24 et les graviers qui peuvent être introduits dans la chambre, les gros graviers étant amenés à se déplacer rapidement le long du plateau conique 21 qu'oscille par suite de son déplacement vers l'avant et vers l'arrière pendant la rotation de la fraise 12, ces graviers se déplaçant radialement vers l'extérieur au fur et à mesure que l'excavatrice avance, et étant remplacés graduel- lement par d'autres matières formant le sol autour du corps 11 et refou- lés de manière à être noyés dans le sol environnant. -Les vérins propulseurs 33 sont entraînés en conformité avec l'exca- vation du sol afin de propulser le corps 11 vers l'avant, les tuyaux 2 6 4 8 5 1 1 -10- étant installés successivement, ou bien dans le cas du percement d'un tunnel, la surface de la paroi périphérique du tunnel nouvellement formée derrière le corps 11 propulsé est retenue par des moyens appropriés, si besoin est, et le percement du tunnel peut être réalisé d'une façcn régulière. Dans la présente invention, on peut adopter diverses modifications. Par exemple, les trous traversants 24 formés dans le plateau 21 de la fraise ne sont pas limités à la forme circulaire représentée, mais il est possible d'avoir recours à des trous traversants 24a de forme él1ip- tique, comme représenté sur le figure 3 ou à des trous traversants rec- tangulaires 24b dont on a arrondi les angles, comme représenté sur la figure 4. On a constaté à ce sujet que le rapport entre la largeur mini- male et la largeur maximale de ces trous doit, de préférence, être com- pris entre 1:1 et 1:1,5. En outre, il est également possible d'utiliser des fraises d'excavation 112 comportant un plateau 121 de forme conique étagée, comme représenté sur la figure 5 o l'angle de cône du plateau 121 varie à des endroits intermédiaires, ou encore une fraise comportant un plateau 221 de forme ogivale, comme représenté sur la figure 6, ayant 2D plus cu moins la forme d'un dCme. Bien que le déplacement axial vers l'avant et vers l'arrière de l'arbre d'entrainement rotatif ait été décrit comme étant cbtenu à l'aide du contact roulant entre une came comportant une surface de poussée ondulée et des galets, on peut obtenir ce déplacement à l'aide de divers autres agencements qui ont recours à des vérins hydrauliques ou bien à une pression d'huile ou une pression pneumatique pour communiquer un mouvement de va-et-vient. On peut également utiliser un système à manivelle ou analogue. 3o -11- R E V E N D ICATIONS 1. Excavatrice pour travaux sous terre, dans laquelle: un corps cylindrique (11) définit dans sa partie avant une chambre (16) avec une cloison étanche (15), un arbre rotatif (13), traversant de façon tournante cette cloison étanche, fait saillie dans ladite chambre, une source (18) de force motrice est couplée audit arbre rotatif en étant disposée der- rière la cloison étanche, une fraise d'exacavation (32) est montée sur l'extrémité avant dudit arbre rotatif, et un moyen (25) comportant une ouverture (26) disposée dans ladite chambre est prévue pour décharger de cette dernière, vers un endroit situé derrière la cloison étanche, des matières qui entrent dans la formation du sol %z qui ont été excavées, ladite fraise d'excavation (12) comprenant un plateau (21) comportant sur sa surface une pluralité de taillants (22, 23) et une pluralité de trous traversants (24) à travers lesquels passent les matières formant le sol et excavées, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, des moyens (27, 29, 32) pour déplacer l'arbre rotatif dans la direction axia- le, vers l'avant et vers l'arrière, avec la fraise d'excavation (12) qui y est montée, le plateau (21) ayant une forme conique et l'ouverture (26) du moyen de déchargement (25) ayant un diamètre plus grand que les trous traversants (24) dudit plateau. 2. Excavatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les trous traversants-(24) présentent un rapport entre leur largeur mini- male et leur largeur maximale compris entre 1:1 et 1:1,5. 3. Excavatrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que les trous traversants (24) sont circulaires. 4. Excavatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour déplacer l'arbre rotatif (13) vers l'avant et vers l'ar- rière comprennent une came (27) qui est fixée à l'arbre rotatif (13) de manière à se trouver derrière la cloison étanche (15) et qui comporte une surface de poussée ondulée formée de parties alternativement concaves et convexes dans la direction axiale, et des galets (30) en contact roulant avec ladite surface de poussée ondulée de la came pour communiquer directement à l'arbre un déplacement vers l'avant et vers l'arrière.