Brevet FR2676500A1 — publié le 19921120

PROCEDE ET MACHINE A BOUCLIER POUR LE CREUSEMENT DE GALERIES SOUTERRAINES, NOTAMMENT DANS DES SOLS AQUIFERES A PAIBLE COHESION L'invention concerne un procédé pour le creusement de galeries souterraines, plus particulièrement adapté pour des sols aquifères à faible cohésion. Elle s'étend à une machine à bouclier mettant en oeuvre ce procédé. Le principe des boucliers à air comprimé consiste à mettre en pression la galerie au moyen d'air comprimé en vue d'obtenir une surpression d'air équilibrant la pression des terres et la pression hydrostatique. Ces boucliers très fiables dans des terrains peu perméables deviennent par contre d'un emploi plus délicat et plus aléatoire dans les terrains perméables. En effet, dans de tels terrains perméables, tels que par exemple des alluvions, souvent dépourvus de cohésion, l'air comprimé en surpression a tendance à s'échapper dans le terrain découvert par le système d'abattage. Il en résulte une diminution de la pression d'air dans la chambre de travail qui peut devenir insuffisante pour assurer la stabilité du front de taille. Si cette pression d'air devient effectivement insuffisante vis à vis de la poussée des terres et de la pression hydrostatique, il se produit alors un fontis ou effondrement du front de taille ou de la voûte au-dessus de la casquette du tunnelier. La conséquence directe est l'obligation de stopper immédiatement la progression du tunnelier en vue d'injecter un mortier à prise accélérée destiné à combler les vides qui se sont développés dans le terrain.En seconde conséquence, le tunnelier se trouve bloqué durant le temps nécessaire à la prise du mortier. Pour pallier ces inconvénients qui nuisent notablement à la fiabilité et à l'efficacité des tunneliers à air comprimé dans les terrains perméables, plusieurs solutions ont été envisagées visant à limiter les fuites d'air. Une première technique consiste à forer le terrain depuis le tunnelier, puis à injecter des produits tels que coulis de bentonite/ciment ou gel de silicate dans le massif à l'avant du tunnelier. L'inconvénient majeur d'une telle technique réside dans le fait qu'elle ralentit notablement la progression du tunnelier car elle impose d'immobiliser celuici durant le temps nécessaire aux opérations de forage et d'injection. Un autre procédé consiste à améliorer la cohésion des sols que doit traverser le tunnelier grâce à une injection, par l'intermédiaire de forages réalisés à partir de la surface, des produits précédemment cités, coulis de bentonite/ciment ou gel de silicate. Toutefois, ce type de traitement est long et onéreux et nécessite des emprises en surface qui ne sont pas toujours compatibles avec le tracé de l'ouvrage à réaliser. Une troisième technique, décrite notamment dans la demande de brevet français n" 2.589.516 au nom de la demanderesse, consiste à projeter sur le front de taille, par l'intermédiaire de lances de projection, un coulis liquide composé d'un mélange d'eau et de bentonite éventuellement additionné de ciment. Cette technique consiste donc à créer sur le front de taille un film de boue destiné à freiner le passage de l'air et à répartir la poussée de celui-ci sur la totalité de ce front de taille. Bien que cette solution soit efficace pour certains types de terrains, il s'avère toutefois que cette efficacité est plus aléatoire dans les terrains très perméables. En effet, lorsque l'abattage est entrepris, après projection d'un film de boue sur le front de taille, l'outil d'abattage, godet ou fraise, provoque la chute d'une épaisseur de terrain comprise entre 0,10 m et 0,60 m et entraîne de ce fait la destruction de la couche de boue étanche. En terrain très perméable, il s'ensuit alors une augmentation brutale du débit d'air circulant au travers du front de taille. Or, cette augmentation présente l'inconvénient d'entraîner une chute de pression dans la chambre de travail et de nécessiter, par conséquent, une accélération brutale de la production d'air comprimé.De plus, elle provoque un desséchement de la surface du front de taille et un entraînement des éléments fins. Ces inconvénients ont pour conséquence, à court terme, une perte de cohésion du front de taille qui fait encourir des risques d'éboulement à la moindre vibration. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients des techniques ci-dessus décrites en fournissant un procédé permettant d'assurer le soutènement du front de taille au moyen d'air comprimé lors du creusement d'une galerie en terrain meuble et aquifère. A cet effet, l'invention vise un procédé pour le creusement de galeries souterraines, en particulier dans des sols aquifères à faible cohésion, au moyen d'une machine à bouclier dotée d'une chambre de travail étanche, du type consistant à assurer la stabilité du front de taille au moyen d'air comprimé s'opposant en tous points au déplacement dudit front de taille. Selon l'invention, ce procédé se caractérise en ce que - l'on projette sur la superficie du front de taille un mélange moussé comprenant une phase gazeuse et une phase liquide, ladite phase liquide comportant un agent moussant à base de tensio-actifs et un agent viscosifiant à base de polymères, - et l'on maintient dans la chambre de travail une pression d'air comprimé supérieure à 0,2 bars adaptée, d'une part, pour assurer la stabilité du front de taille et, d'autre part, pour faire pénétrer profondément la mousse dans le matériau constituant le front de taille, sous l'effet de la surpression régnant dans la chambre de travail. L'invention consiste donc à projeter sur le front de taille une mousse obtenue par émulsification d'un gaz dans une phase liquide comportant un agent moussant et un agent viscosifiant, et à la faire pénétrer dans le terrain grâce à la surpression d'air comprimé régnant dans la chambre de travail, pénétration au cours de laquelle le gaz émulsionné de la mousse sert de vecteur pour faire pénétrer l'agent viscosifiant et l'agent moussant dans le terrain. Dans ce procédé, la mousse projetée sur le front de taille remplit donc une double fonction. En effet, et en premier lieu, elle prévient les fuites et permet donc de maintenir une pression constante dans la chambre de travail grâce à la présence d'un écran peu perméable qui se forme lorsque, sous l'effet de la pression d'air comprimé régnant dans cette chambre, la mousse pénètre dans le terrain. De plus, elle entrain une consolidation des terrains poreux et instables grâce à ses propriétés de rigidité et de viscosité qui donnent une certaine cohésion au terrain pénétré par la mousse. Le terrain rendu ainsi cohérent peut alors être abattu sans compromettre la stabilité du front de taille du fait que seule une partie de l'épaisseur de la couche traitée est creusée à chaque passe. Un avantage supplémentaire de ce procédé réside dans la diminution des consommations d'air comprimé grâce à la présence du produit moussé entre les grains de sable ou les graviers du terrain. Il est à noter, par ailleurs, un autre avantage qui réside dans l'absence de dessication de la surface du front de taille qui résultait, pour les techniques connues, du soufflage d'air chaud à travers ce front de taille. Selon un mode de mise en oeuvre préférentiel, la phase liquide est en outre, préférentiellement moussée et projetée sur le front de taille au moyen d'un fluide propulseur qui consiste avantageusement en de l'air comprimé à une pression d'alimentation comprise entre 6 et 8 bars. Par ailleurs, selon une autre caractéristique de l'invention, la mousse projetée sur le front de taille a une rigidité comprise entre 60 et 250 mg/cm2 et est obtenue à partir d'un pr-oduit moussant présentant les caractéristiques suivantes 40 sec $ Viscosité MARSH $ 57 sec 2 cP 4 Viscosité plastique $ 5 cP Ces caractéristiques sont réglées en fonction de la nature, de la porosité et de la perméabilité du terrain. Ainsi, par exemple, une mousse visqueuse et rigide (250 mg/cm2) s'avère très performante dans un terrain grossier, poreux et très perméable. Par contre, mAeme si elle permettrait une application uniforme sur le front de taille, elle irait à l'encontre d'une bonne pénétration dans les terrains fins, et donc à l'encontre de l'effet recherché. A l'inverse, une mousse peu visqueuse et peu rigide (60 mg/cm2) sera plus difficile à projeter uniformément sur le front de taille, mais pénètrera les terrains fins et les traitera efficacement. Par contre, elle sera moins efficace pour un terrain grossier. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'on utilise un produit moussant comportant un agent moussant à base de tensio-actifs anioniques et non ioniques, et un agent viscosifiant à base de polymères polyacrylamides et polyacrylates. Parmi les produits conformes à la définition ci-dessus disponibles sur le marché et permettant de réaliser un produit moussant utilisable selon le procédé de l'invention, on peut par exemple citer un agent moussant commercialisé par la société GEOTHERMIE SONDAGE PETROLE sous l'appellation "GS MOUSS", et des agents viscosifiants commercialisés par cette société sous l'appellation "GS 550 PREMIX" ou "OS 550 L". On peut également citer les agents moussants et viscosifiants commercialisés par la société ACIER DIAMANT CARBURE. L'invention s' étend à une machine pour la réalisation de galeries souterraines du type comprenant un bouclier hydraulique pourvu d'un système hydraulique de poussée et comportant - une chambre de travail supportant intérieurement un dispositif d'abattage, - une jupe d'assemblage, - une cloison étanche à l'air, de séparation entre la chambre de travail et la jupe d'assemblage, - des moyens d'alimentation en air comprimé adaptés pour créer dans la chambre de travail une pression d'air comprimé apte à équilibrer la pression des terres et la pression hydrostatique. Selon l'invention, le bouclier hydraulique comprend au moins une lance de projection fixée sur la paroi de séparation et raccordée, d'une part, à des moyens d'alimentation en un produit moussant et, d'autre part, à des moyens d'alimentation en un gaz apte à permettre l'obtention d'un mélange moussé et à jouer le rôle de fluide 40 propulseur dudit mélange moussé sur le front de taille. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description - la figure 1 est une coupe axiale par un plan vertical représentant une machine à bouclier conforme à l'invention dans sa position de travail, - et la figure 2 est un schéma de principe représentant en coupe axiale cette machine. La machine à bouclier représentée à titre d'exemple aux figures 1 et 2 est destinée à la réalisation de galeries souterraines, notamment en terrain meuble et aquifère, en permettant un contrôle visuel permanent du front de taille. (Il est à noter que dans la suite, les termes "avant" et "arrière" se réfèrent au sens de progression de la machine). En l'exemple, cette machine à bouclier est du type décrit dans le brevet d'invention français n" 2.589.516. Elle comprend donc essentiellement, d'une part, un bouclier hydraulique pourvu d'un anneau de poussée 1 et d'un système hydraulique de poussée 2 et, d'autre part, un dispositif d'abattage 3 logé à l'intérieur du bouclier. Ce bouclier est en outre composé de deux parties mobiles 5 et 6 distinctes liées entre elles par une fixation flottante 4 adaptée pour permettre d'orienter ces deux parties dans une configuration angulaire telle que leurs axes longitudinaux forment un angle ajustable. La partie avant 5 du bouclier, dite "trousse coupante", supporte intérieurement le dispositif d'abattage 3 et la partie arrière 6 dite "jupe d'assemblage", sert de guide à l'anneau de poussée 1 et permet la mise en place des éléments de revetement. Le dispositif d'abattage de cette machine est composé d'un bras 7 équipé d'un godet 8 apte à travailler en butte ou en rétro et comprenant deux membrures 9 télescopiques coulissant l'une par rapport à l'autre. Les moyens de support de ce bras d'abattage à l'intérieur de la trousse coupante 5 comprennent quant à eux un bâti fixe 10 formant autour de l'axe de ladite trousse une plate-forme 10a verticale évidée dans sa région centrale. Sur cette plate-forme est assujettie la cage externe d'une couronne 11 à roulement, d'axe horizontal coïncidant avec l'axe de la trousse et dont la cage externe porte un châssis 12 tournant qui peut ainsi être entraîné en rotation sur 360 degrés autour de l'axe de la trousse coupante grâce à des moyens d'entrainement en rotation de la couronne. Le bras d'abattage 7 est articulé sur ce châssis au voisinage du plan de la plate-forme 10a de façon à comporter un prolongement arrière 7a, logé dans le volume creux du bâti 10 et sur lequel est attelé un vérin de manoeuvre 13. Ce vérin de manoeuvre est en outre attelé, luimême, sur le châssis 12 de façon que le point d'articulation 14 du bras et les points d'attelage 15-16 de ce vérin soient agencés en triangle. La disposition ainsi décrite de ces éléments permet de réduire considérablement l'encombrement du bras à l'avant de la plate-forme de façon à dégager l'aire de travail et autorise par là-même de disposer d'un poste de conduite 17 avancé permettant une bonne visualisation du front de taille. En outre, toutes les pièces en mouvement du dispositif d'abattage et tous les axes de rotation se trouvant en avant de la plate-forme 10a du bâti fixe 10, il est facilement envisageable de disposer une paroi étanche reliant ladite plate-forme à la paroi périphérique du bouclier, de façon à isoler une partie avant 18 de la trousse coupante 5, dite "chambre de travail", du reste du bouclier. En fait, cette paroi étanche est constituée d'un plan incliné 19 rigide disposé dans la partie inférieure de la chambre de travail et s'étendant du front de cette chambre jusqu'à la plate-forme 10a du bâti fixe 10. Ce plan incliné 19 est ensuite prolongé par une cloison 20 permettant de fermer l'espace entre la paroi périphérique du bouclier et la plate-forme 1osa. En outre, des hublots 21 sont ménagés dans cette cloison 20 en regard notamment du poste de conduite 17 de façon à visualiser le front de taille lors du fonctionnement de la machine. Cette cloison 20 est également dotée d'un sas de dimensions adaptées pour permettre une intervention humaine dans la chambre de travail 18, sans toutefois mettre en communication ladite chambre avec la partie arrière du bouclier. Le but de cette paroi étanche est de permettre une mise en pression de la chambre de travail au moyen d'air comprimé, en vue d'assurer le soutènement du front de taille lors du creusement de galeries en terrain meuble et aquifère. La machine à bouclier conforme à l'invention comprend, par ailleurs, une lance de projection 23 fixée sur la paroi étanche par l'intermédiaire d'une rotule 24 autorisant sa rotation sur 360" autour de son axe longitudinal. Tel que représenté à la figure 2, le tuyau d'alimentation principal 25 de cette lance 23 est raccordé, par l'intermédiaire d'une pompe 26 à une cuve de stockage 27 dotée de moyens de malaxage et destinée au mélange du produit moussant. En outre, sur ce tuyau d'alimentation 25 est pratiqué un piquage 28 permettant d'alimenter également la lance 23 en air comprimé destiné à faire mousser et à projeter le mélange. La lance 23 présente par ailleurs une forme coudée et comporte un premier tronçon 23a coaxial à l'axe de rotation, et un deuxième tronçon 23b définissant un angle sensiblement compris entre 5 et 45" avec ledit axe. Cette forme coudée permet, d'une part et au moyen d'une seule lance 23, de couvrir la totalité du front de taille lors d'une rotation de 360 de cette lance, et d'autre part, d'obtenir un excédent de mousse sur la périphérie de la trousse d'où cette dernière a tendance à s'échapper. Cette lance 23 permet de projeter sur le front de taille, et au moyen d'air comprimé utilisé comme fluide propulseur du mélange moussé obtenu à partir d'un mélange moussant constitué par exemple d'un mélange GS MOUSS/GS 550 PREMIX préalablement préparé dans la cuve de stockage 27, apte à pénétrer dans le terrain sous l'effet de la pression régnant dans la chambre de travail et à donner la cohésion nécessaire à ce terrain. Il est, en outre, à noter que le produit projeté est un produit stable dont le pompage et la projection ne requièrent pas de procédé spécial. La machine à bouclier conforme à l'invention comporte également un convoyeur de déblais constitué d'une vis hélicoïdale et un masque destiné à fermer la chambre de travail, pour la description desquels on se réfèrera au brevet français n" 2.589.516. REVENDICATIONS 1/ - Procédé pour le creusement de galeries souterraines, en particulier dans des sols aquifères à faible cohésion, au moyen d'une machine à bouclier dotée d'une chambre de travail (18) étanche, du type consistant à assurer la stabilité du front de taille au moyen d'air comprimé s'opposant en tous points au déplacement dudit front de taille, ledit procédé étant caractérisé en ce que - l'on projette sur la superficie du front de taille un mélange moussé comprenant une phase gazeuse et une phase liquide, ladite phase liquide comportant un agent moussant à base de tensio-actifs, et un agent viscosifiant à base de polymères, - et l'on maintient dans la chambre de travail (18) une pression d'air comprimé supérieure à 0,2 bars adaptée, d'une part, pour assurer la stabilité du front de taille et, d'autre part, pour faire pénétrer profondément la mousse dans le matériau constituant le front de taille, sous l'effet de la surpression régnant dans la chambre de travail (18). 2/ - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on projette le mélange moussé sur la superficie du front de taille au moyen d'un fluide propulseur. D/ - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise comme fluide propulseur, de l'air comprimé à une pression d'alimentation sensiblement comprise entre 6 et 8 bars. 4/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on projette sur le front de taille un mélange moussé ayant une rigidité comprise entre 60 et 250 mg/cm2, obtenu à partir d'un produit moussant présentant sensiblement les caractéristiques suivantes 40 sec 2 cP 5/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise un produit moussant comportant un agent moussant à base de tensio-actifs anioniques et non ioniques, et un agent viscosifiant à base de polymères polyacrylamides et polyacrylates. 6/ - Machine pour la réalisation de galeries souterraines du type comprenant un bouclier hydraulique pourvu d'un système hydraulique (2) de poussée et comportant - une chambre de travail (18) supportant intérieurement un dispositif d'abattage (3), - une jupe d'assemblage (6), - une cloison (20) étanche à l'air de séparation entre la chambre de travail (18) et la jupe d'assemblage (6), - des moyens d'alimentation en air comprimé adaptés pour créer dans la chambre de travail une pression d'air comprimé apte à équilibrer la pression des terres et la pression hydrostatique, ladite machine étant caractérisée en ce que le bouclier hydraulique comprend au moins une lance de projection (23) fixée sur la paroi de séparation (20) et raccordée, d'une part, à des moyens d'alimentation (25, 26, 27) en un produit moussant et, d'autre part, à des moyens d'alimentation (28) en un gaz apte à permettre l'obtention d'un mélange moussé et à jouer le rôle de fluide propulseur dudit mélange moussé sur le front de taille. 7/ - Machine selon la revendication 6 comprenant des moyens de fixation de chaque lance (23) sur la paroi de séparation (20), comportant une rotule (24) adaptée pour permettre à ladite lance d'effectuer une rotation autour de son axe longitudinal. 8/ - Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une seule lance (23) coudée de façon à présenter un premier tronçon (23a) coaxial par rapport à l'axe de rotation et un deuxième tronçon (23b) définissant un angle sensiblement compris entre 5 et 45" avec ledit axe. 9/ - Machine selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle renferme une cuve de stockage (27) dotée de moyens de malaxage adaptés pour assurer le mélange du produit moussant, et des moyens de pompage (26) adaptés pour assurer l'alimentation de chaque lance de projection (23) à partir de la cuve de stockage (27).