Brevet FR2744739A1 — publié le 19970814

La présente invention concerne un procédé de réalisation de diaphragmes en béton moulés dans le sol ainsi que les machines et outillages nécessaires à la mise en oeuvre de ce procédé. Selon l'invention, des manchons de forme cylindrique ou légèrement coniques peuvent être obtenus. Lorsque les génératrices des manchons sont proches de l'horizontale, I'invention peut être utilisée dans le domaine de la construction des tunnels. Ce sera, par exemple, le cas des prévoutes utilisées comme moyen de soutènement provisoire des tunnels. Lorsque les génératrices des manchons sont verticales ou proches de la verticale, l'invention peut être utilisée dans le domaine de la construction de puits ou de diaphragmes étanches en vue de la construction de digues étanches, de fouilles de tunnels en tranchées... Dans le domaine des tunnels, la construction de prévoutes est aujourd'hui obtenue au moyen de haveuses. Celles-ci découpent le terrain par l'action de nombreux pics montés sur une chaîne fermée dont le mouvement est engendré par un moteur de rotation extérieur à la saignée. Le bras porte chaîne se déplace sur la ligne d'extrados des tunnels sous l'effet de forces tangentielles à cette ligne. Ces systèmes présentent de nombreux inconvénients: - les déblais provenant de la coupe envahissent les portes dents et la chaîne, ce qui provoque une usure des maillons, engendre des efforts très importants dans la chaîne au droit des tourteaux. Cela conduit à surdimensionner les chaînes en terrains sableux, à les entretenir, à les changer fréquemment; - la présence de ces déblais engendre des frottements sur la chaîne diminuant la force de traction disponible sur les pics; - les pics s'usent rapidement, de ces faits, la longueur des chaînes est limitée à environ cinq mètres et la productivité est réduite. D'autre part, I'évacuation des déblais dans les systèmes existants est faite par les outils eux-mêmes. Les matériaux de déblai sont rebroyés plusieurs fois inutilement, ils arrivent au front de taille et s'amassent sur les pieds de la machine ou sur le bâti support. Il faut sans cesse les reprendre, nettoyer... Enfin, si le tunnel rencontre une nappe active, on ne peut pas contrôler l'extraction des déblais. Le bétonnage de la saignée obtenu par béton projeté sur de grandes longueurs n'est pas toujours de bonne qualité. Il y a des risques de ségrégation du béton ou de mélange avec le terrain ou l'eau du terrain. Enfin, le système de guidage du bras de découpe est un ensemble compact rigide et lourd. Pour la découpe des roches dures, les efforts transversaux engendrés par la chaîne de havage sont très importants. Ils dépassent couramment la dizaine de tonnes. On assiste ainsi, avec les grands tunnels au gigantisme des haveuses dont le poids dépasse aujourd'hui fréquemment 100 tonnes et la puissance 400 KW. D'où un coût de matériel élevé surtout si l'on tient compte de la nécessité de reconstruire un bâti support et souvent la machine de havage complète pour chaque nouvelle tonne ou dimension de tululel. Pour les autres types d'application de l'invention qui concernent les diaphragmes de béton verticaux ou pseudo verticaux, il existe aujourd'hui de nombreux procédés et machines permettant de réaliser des coupures étanches ou des parois moulées dans le sol jouant le rôle de parois de soutènement, chaque machine ayant un domaine d'application et des conditions 'J' utilisation bien spécifiques. Il y a cependant un certairl nombre de cas où la présente invention pourra avantageusement trouver à s'appliquer. Ce sont de manière indicative et non limitative, les applications suivantes - construction de puits de faible dimension - construction de diaphragme étanclle réalisé sous hauteur limitée - réalisation de parois moulées inclinées - parois de soutènement de petites fouilles réalisées en site urbain ne permettant pas l'amenée de machines encombrantes et chères. Selon l'invention, le procédé de réalisation de diaphragmes en béton dans le sol comporte deux phases distinctes successives et continues. La première phase consiste à réaliser, dans le sol, une saignée faible épaisseur 20 à 40 cm (ou plus dans le cas de diaphragmes pseudo verticaux). La saignée est réalisée par éléments de grande longueur (la longueur des diaphranes peut atteindre une douzaine de inêties oti plus) mais de relativeiiient faible largeur 10 à 20 cm. Chaque élément ainsi découpé est protégé par un masque séparateur pennettant d'isoler le béton du dispositif de coupe et d'une contamination par l'eau ou le terrain. Le béton est immédiatement mis en place derrière le masque séparateur. L'avance est ainsi réalisée par intermittences de courte durée mais elle peut être également réalisée en continu. La direction de l'avance est perpendiculaire à celle des génératrices du diaphragme. Le découpage de la saignée est obtenu de la manière suivante dans le cas de réalisation de prévoutes de soutènement en tunnel. Les outils de coupe sont des pics ou dents plus larges avec pastilles de carbure de tungstène fixés sur un mandrin métallique épais et rigide animé d'un mouvement de rotation et d'un mouvement alternatif de va et vient. Un troisième mouvement ralenti du mandrin lui permet de suivre la ligne extrados de l'ouvrage. Les pics ou dents sont localisés sur le mandrin en groupes régulièrement espacés. La distance entre deux paquets d'outils de coupe est égale à l'amplitude du mouvement alternatif de va et vient. L'extraction des déblais peut se faire par vis d'archimède, par tapis mulant à compartiment, par chaîne à godets ou par air comprimé selon la nature des déblais. Le système d'extraction est disposé sous l'outil de coupe de manière à ce que les déblais y tombent par gravité. En fait, la machine doit être équipée de deux bras fonctionnant en remontant simultanément. Dans le cas d'argile collante, on pourra utiliser une vis d'archimède plus de la mousse autodégradable. Pour l'extraction de l'argile, ce système de havage sera simplifié et les déblais chargés directement sur l'outil de forage qui est une simple vis d'archimède équipée de dents plates en périphérie de la surface hélicoïdale disposée tangentiellement au cylindre engendré par le mouvement de rotation. En présence de couches unifonnes de sable fin ou de graviers et galets dans une matrice de sable fin, on peut aller beaucoup plus vite en utilisant, en plus du système de fraise décrit plus haut,une série de jets d'eau à haute pression faible débit. Les jets d'eau seraient réalisés à travers des buses de lançage calibrées fixées sur des parties 10010 tournantes et orientées latéralement au bras support en direction de l'avancement transversal. La pression peut être modulée à plusieurs centaines de bars notamment si les sables devenaient légèrement cohérentes. Le système dents plates + jets haute pression constitue un outil désagrégateur capable de réaliser des productions exceptionnelles. Bien entendu, il convient de maintenir un système d'évacuation de déblais indépendant. Dans le cas d'une nappe pllréatique en charge dans des terrains sableux perméables, il est nécessaire de réaliser des drains à l'avancement. Malgré cette précaution de base, la réalisation de la saignée présente des risques de débourrage d'importantes quantités de matériaux dans le tunnel. Ce risque peut être aisément contourné, dans le cadre de la présente invention par la mise en place d'un masque étanche au front de taille solidaire du mandrin, un presse étoupe permettant d'obturer l'espace disponible entre le mandrin tournant et le masque étanche. Dans le cas de diaphragmes pseudo verticaux, il n'y a plus qu'un seul mat servant de bras de coupe. Et pour l'extraction des déblais, du fait de la gravité il est nécessaire de disposer d'un système puissant de remontée des déblais en continu. Selon la nature et les caractéristiques physiques des matnriaux rencontrés, on pourra utiliser une chaîne à godets, de l'air comprimé ou un circuit hydraulique avec pompe immergée descendue en pied de mat. Pour ce qui est du bétonnage, dans le cas de tunnel, on utilisera une lance de grande longueur retirée au fur et à mesure de la mise en place de béton projeté ou bien si l'on n'a pas besoin de hautes caractéristiques, de béton à très court terme simplement du béton pompé de composition et caractéristiques rhéologiques adaptées. La présente invention offre une grande simplicité par rapport aux haveuses classiques pour ce qui est du système de guidage. D'une part, le nombre d'outils en contact avec le terrain à un instant donné est très faible. Et l'effort transversal nécessaire pour assurer la pénétration des pics est réduit d'autant. D'autre part, si l'on souhaite développer des efforts transversaux importants, notamment dans le cas de passage de roche dure, il est possible d'appuyer sur le béton frais par l'intermédiaire de couples de vérins transversaux agissant simultanément sur le masque de bétonnage. Le maintien du bras de coupe pourra aisément être obtenu par un cadre rigide articulé en pied actionné par vérins. Pour ce qui concerne les diaphragunes pseudo verticaux, le bétonnage pourra être fait en continu à la pompe à béton à l'aide d'un tuyau débouchant en pied de mat. Rien n'empêche d'avoir un mat très rigide pour éviter les déviations et si besoin était reproduire le même système de poussée horizontale du mandrin de coupe. Ainsi, selon l'invention, les appareillages pour la mise en oeuvre de diaphragmes de béton dans le sol sont conçus de la manière suivante. Pour la réalisation de prévoutes dans la construction de tunnels, I'appareillage comprend (se reporter aux figtlres I et 2): Un châssis monté sur roues ou sur chenilles avec dispositif de fin réglage latéral de l'axe de la machine par rapport à l'axe du tunnel et de réglage en position horizontale et en hauteur par guidage laser. Deux glissières (l) montées sur cadres articulés rigides (2) reçoivent chacune un mandrin (6) rigide entraîné par un ou plusieurs moteurs hydrauliques puissants de tête (3) et un système d'avance du dit moteur par vérin, chaîne ou câble. Le mouvement longitudinal d'avance est en fait automatisé en un mouvement de va et vient longitudinal par l'intermédiaire de deux contacts fin de course ( I). Le mandrin est équipé de paquets de dents de coupe ou pics robustes à carbure de tungstène, la distance entre paquets d'outils d est égale à l'amplitude du mouvement longitudinal. Une alternative à ce système de frai sage peut être obtenue au moyen d'un bras rigide (6bis) sur lequel sont fixées à intervalle régulier, un certain nombre de roues de coupe (l l) d'axe nonnal à la saignée (se reporter à la figure 2bis). L'entraînement des roues est obtenu par Liii OU plusieurs moteurs en principe extérieurs à la saigliée (15), le mouvement étant transmis par un ensemble de chaînes de transmission et pignons (i 6). Le bras portant les roues de coupe ne toume plus mais le mouvement longitudinal de va et vient se fait dans les mêmes conditions que précédemment. Les roues ne tournent pas obligatoirement dans le même sens mais à la même vitesse. Lorsque le terrain est argileux (se reporter à la figure 3), le mandrin peut être remplacé par une vis sans fin équipée de dents latérales (z) auquel cas il sera éventuellement fait abstraction du mouvement de va et vient. Le mandrin pourra comporter des orifices régulièrement répartis pour la sortie de mousse. Lorsque le terrain est à prédominance ou à matrice sableuse, un ensemble de jets d'eau haute pression peut être ajouté par l'intennédiaire de bielles (13) montées sur le mandrin (6). L'extraction des déblais se fait sur chaque bras par un dispositif d'extraction continu (7) monté sur la même glissière que le mandrin de frai sage et disposé derrière le mandrin de sorte que, pendant la plus grande partie du déplacement du cadre recevant la glissière, les déblais tombent par gravité dans le dispositif d'extraction. Celui-ci se poursuit jusqu'au sol par une gaine souple convenablement fixée pour que les déblais puissent être recueillis dans un petit engin ou repris par tapis roulant. Le bétonnage est obtenu par pompage à la pompe à béton d'un béton humide plastique à prise accélérée et durcissement rapide. Un tuyau fixe (8) autonettoyable par jet rétro haute pression emmène le béton derrière le diaphragme (9) à travers l'orifice d'extrémité (l0). La pompe à béton est tarée à un maximum de pression supportable par le masque de front (ll) sans déformation excessive. Dans le cas de rencontre de couche de roche compacte et dure, un dispositif de poussée pourra être appliquée par vérin (12) sur le diaphragme (9) et transmise au mandrin (6). Si les caractéristiques mécaniques requises pour le béton à quelques heures sont très importantes (par exemple 8 MPA à 410), on pourra utiliser le système illustré. Dans ce système, le masque (9) se dédouble par un masque interne (17). Par action retour sur les vérins (12), le masque (l7) arrivé en (17bis), on peut alors pousser au fond de la saigné la lance (16) et envoyer un béton projeté à prise immédiate tout en retirant à la bonne cadence la lance (lo. Pour la réalisation de diapllragmes de béton verticaux ou pseudo verticaux dans le sol, I'appareillage comprend: - un châssis lourd sur chenilles ou sur rails disposé à cheval sur l'axe du diaphragme à construire Oll à l'intérieur de la section en cas de puits circulaire - un mat rigide vertical légèrement inclinable latéralement - une glissière avec moteur de rotation en tête de mat et mandrin hydraulique de serrage desserrage de tiges de fraisage; ; - un barillet automatique éventuel pour le stockage et la distribution des tiges de frai sage, lesquelles sont munies de pics disposés en paquets comme dans le cas des tunnels - une pompe immergée hydraulique puissante reliée à un circuit flexible d'exhaure ou un autre système d'extraction de déblais - Liii masque de bétonnage auquel est fixé Ull tuyau d'arrivée de béton et, comllle pour les tunnels, ini dispositif de poussage horizontal du mat de fraisage par véi-ins s'appuyant sur le béton frais. PRESENTATION DES FIGURES sur les figures I a r jointes sont représentées figure Vue schématique transversale d'ensemble figure2a:Vue de dessus schématique d'ensemble figure 2b: Système de fraisage alternatif-vue de dessus figure3 Système de creusement, extraction,bétonnage en terrain argileux figure 4:Système de creusement, extraction, bétonnage figure5:Détail de la figure2a REVENDICATIONS Procédé de réalisation de diaphragmes en béton moulés dans le sol ,de forme cylindrique ou légèrement conique, comportant 2 phases successives de creusement et de bétonnage de saignées dans le sol , caractérisé en ce que: le creusement des saignées est réalisé en continu par fraisage au moyen d' un mandrin ou d'une série de roues portées par un bras rigide , et doutils de coupe (5') animés d'un mouvement triple: rotation, va et vient longitudinal, et avance transversale lente perpendiculaire au mandrin ou au bras rigide, caractérisé en ce que l'évacuation des déblais est distincte de la découpe et réalisée en arriére du bras de coupe, et en ce que le bétonnage est réalisé en continu. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste a disposer les outils de coupe (5') en paquets régulièrement espacés, et en ce que ces outils de coupe poussent les déblais vers un dispositif d'évacuation ; Procédé selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que le bétonnage est réalisé en continu a l'aide d'une pompe a béton et a l'abri d'un masque (9) ou par intermittence a l'abri du masque a tirroir (17)/(17bis), au moyen de béton projeté a prise et durcissement rapides, le béton etant projeté a travers une lance (19) dont la vitesse d'extraction est asservie au débit de projection. 4. Procédé selon les revendications 1 et 2, destiné a des terrains a matrice sableuse ou limoneuse, caractisé en ce que l'on applique des jets d'eau sous forte pression dans la direction de l'avance transversale entre chaque paquet de pics afin de désagreger le sol et de refroidir les outils de coupe 5. Procédé selon la revendication 3 , caractérisé en ce que l'on utilise un masque de séparation rigide (9) ou (17), par l'intermédiaire duquel on appuie au moyen de vérins jumelés (1') sur le béton frais afin d'augmenter de maniére significative l'effort transversal d'avance 6.Procédé selon les revendications 1 et 2 ,destiné a la réalisation de tunnels dans des sols fins instables baignés dans la nappe phréatique, caractérisé en ce que l'on dispose un presse étoupe entête de mandrin pour assurer létancheité entre le terrain et le masque (1 l)appliqué contre le front de taille 7.Machine pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ,destinée ala réalisation de tunnels, caractérisée en ce qu'elle comprend un chassis monté sur roues ou sur chenilles réglable en toutes directions et diverses positions -au moins 2 glissiéres (2) montées sur cadres rigides articulés (1) ,recevant chacune un mandrin (6) ou bras de coupe (6'),entrainé par un ou plusieurs moteurs hydrauliques puissants (3) ou une série de roues (14) entrainées par chaine(l6) et moteurs de rotation (15) -un système d'avance longitudinale rapide de I' ensemble du dispositif de coupe par vérin ,chaine ou cable - un système automatique d'inversion du mouvement longitudinal , par exemple au moyen de 2 contacts fin de course -un mécanisme de rotation des cadres rigides (I),par moteur de rotation hydraulique ou par vérins hydrauliques 8.Machine pour la mise en oeuvre du procédé, selon la revendication 1, destinée a la réalisation de diaphragmes verticaux ou pseudo verticaux ,caractérisée en ce qu'elle comprend -un chassis lourd monté sur chenilles ou sur rails en général placé sur l'axe du diaphragme -un mat rigide vertical légèrement inclinable latéralement comportant une glissière avec système de montée descente rapide automatique et d'un moteur de rotation puissant -un mandrin rigide de fraisage equipé depics avec éventuellement dispositif automatique de stockage et dechargement de tiges allonge, ou un bras( 6 bis) equipé de roues de coupe (14) entrainé par chaine (16) et moteur de rotation (15) 9.Machine selon la revendication 70u 8 caracterisée en ce que les outils de coupe sont disposés en paquets fixés sur le mandrin longitudinal a des inter valles réguliers au plus égaux a l'amplitude du mouvement de va et vient 10. Machine selon la revendication 7 ou 8 caractrisée en ce qu' elle comporte un dispositif d'évacuation continue des déblais (7) situé a proximité immédiate du mandrin de fraisage (6) et constitué soit par une vis sans fin, soit une bande transporteuse a compartiments ou par une chaine a godets ou par de l'air comprimé. 11. Machine selon la revendication 7 ou 8 pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'un masque rigide (9)ou(17) ,permettant la séparation béton / terrain 12. Machine selon la oeyendication 7 ou 8 et la revendication 1 I pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 , caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble de vérins(12) permettant d'appuyer par l'intermédiaire de bielles (13) et du masque (9) ou(17) sur le béton frais confiné afin d'augmenter la poussée sur les outils de coupe 13. Machine selon la revendication 7 ou 8 pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 4 caractérisée en cequ'elle comporte des buses de lancage d'eau sous forte pression faible débit, disposées sur les bielles ( I 3) pour aider la coupe et la désagrégation du sol ainsi que le refroidissement des outils de coupe 14. Nfachine selon la revendication 9 caractérisée en ce que le mandrin de fraisage (6) est équipé d'un presse étoupe étanche lui mème solidaire du masque frontal (11)