Brevet FR2759114A1 — publié le 19980807

La présente invention a pour objet un dispositif automatique de positionnement et de vissage d'organes de fixation de voussoirs à l'intérieur d'un tunnel creusé par une machine de forage, notamment un tunnelier du type pleine face. Les tunneliers comprennent généralement, en partie avant, une roue de coupe entraînée en rotation à une vitesse déterminée en fonction de la nature du terrain creusé et une couronne de vérins disposée à la périphérie arrière du tunnelier en une extrémité opposée à la roue de coupe. Pour consolider le tunnel, des éléments de revêtement, couramment appelés voussoirs, sont posés sur la paroi interne du tunnel. Par exemple, dans le cas d'un forage à l'aide d'un tunnelier pleine face, on réalise des anneaux complets par assemblage des voussoirs. Les voussoirs se présentent chacun sous la forme d'une plaque courbe préfabriquée en béton ou en fonte et ont un poids qui varie entre 1 et 15 tonnes. Ces voussoirs sont stockés dans un magasin situé à l'arrière du tunnelier et sont prélevés les uns après les autres de ce magasin par un bras manipulateur, appelé érecteur de voussoirs, et fixés à l'intérieur du tunnel de manière contiguë latéralement pour former une succession longitudinale de séries annulaires de voussoirs. Outre la fonction de consolidation de la paroi interne du tunnel, les voussoirs assurent, par leur face avant, un appui pour la couronne de vérins qui, disposés à l'arrière du tunnelier le long de la paroi du tunnel, exercent sur celui-ci la poussée nécessaire à l'excavation des terrains traversés. Les variations de direction du tunnelier sont obtenues par des écarts de poussée entre les différents vérins répartis à la périphérie du tunnelier. Les voussoirs sont reliés entre eux par des organes de fixation constitués par des vis qui traversent un logement ménagés dans un voussoir et se fixent dans un insert noyé dans le voussoir adjacent. Pour relier les voussoirs d'une même série annulaire, des organes de fixation sont disposés radialement par rapport à l'axe du tunnel et pour relier les voussoirs des séries adjacentes, des organes de fixation sont disposés axialement par rapport à l'axe dudit tunnel. Jusqu'à présent, les organes de fixation qui pèsent environ 4Kg chacun, sont posés manuellement par un opérateur. Pour cela, l'opérateur prélève plusieurs organes de fixation d'un magasin de stockage et les transporte jusqu'à la zone de travail. Ensuite, il positionne chaque organe de fixation dans le logement correspondant et effectue son vissage au moyen par exemple d'une visseuse pneumatique. Compte tenu du nombre important de voussoirs et de ce fait d'organes de fixation, la pose de ces organes de fixation est une opération pénible et fastidieuse obligeant l'opérateur à se déplacer en permanence dans la zone de travail, ce qui représente des risques compte tenu de l'environnement. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients en proposant un dispositif automatique de positionnement et de vissage des organes de fixation des voussoirs permettant de réaliser la pose de ces organes de fixation avec précision et d'écarter l'opérateur de la zone de danger. L'invention a donc pour objet un dispositif automatique de positionnement et de vissage d'organes de fixation de voussoirs à l'intérieur d'un tunnel creusé par un tunnelier, lesdits voussoirs comportant, d'une part, des logements de réception des organes de fixation et, d'autre part des inserts de vissage desdits organes de fixation orientés axialement et radialement par rapport à l'axe du tunnel, caractérisé en ce qu'il comporte - une couronne montée déplaçable en rotation par des moyens de commande sur une structure de support fixe du tunnelier, - un bras solidaire et s'étendant perpendiculairement audit plateau, - un magasin de stockage des organes de fixation supporté par le bras, - un chariot monté déplaçable en translation longitudinale sur ledit bras par des moyens d'entraînement, - un élément de préhension supporté par le chariot pour la prise des organes de fixation du magasin de stockage et la pose de ces organes de fixation dans les logements correspondants, - et une visseuse supportée par le chariot et comportant un mandrin télescopique pour le vissage des organes de fixation dans les inserts correspondants. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les moyens de commande du déplacement en rotation de la couronne sont formés par un pignon entraîné en rotation par un moteur et engrénant avec une denture ménagée à la périphérie de la couronne, - les moyens d'entraînement en translation du chariot sont formés, d'une part, par un pignon entraîné en rotation par un moteur supporté par ledit chariot et, d'autre part, par une crémaillère engrénant avec le pignon, ladite crémaillère étant portée par le bras et s'étendant sensiblement sur toute la longueur de ce bras, - l'élément de préhension et la visseuse sont déplaçables en rotation et angulairement par des moyens de déplacement, - les moyens de déplacement de l'élément de préhension et de la visseuse sont formés par une bride comportant une face inclinée de support dudit élément de préhension et de ladite visseuse, ladite bride étant montée libre en rotation sur le chariot et entraînée par un moteur, - l'élément de préhension des organes de fixation comprend un pince articulée à l'extrémité d'un bras télescopique monté articulé sur la bride. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale avec arrachement partiel d'un tunnelier équipé d'un dispositif automatique de positionnement et de vissage selon l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique en perspective d'une portion d'un tunnel partiellement recouvert de voussoirs, - la Fig. 3 est une vue schématique en perspective de la couronne et du bras du dispositif selon l'invention, - la Fig 4. est une vue en coupe de la couronne montrant les moyens de commande du déplacement de cette couronne, - la Fig. 5 est une vue schématique du bras avec l'élément de préhension et la visseuse des organes de fixation des voussoirs, - la Fig. 6 est une vue en élévation d'un organe de fixation des voussoirs, - la Fig. 7 est une vue schématique en coupe partielle montrant les moyens d'entraînement du chariot sur le bras, - la Fig. 8 est une vue schématique de dessus du chariot montrant l'emplacement de l'élément de préhension et de la visseuse, - la Fig. 9 est une vue schématique en élévation de l'élément de préhension des organes de fixation des voussoirs. Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement un tunnelier, par exemple du type pleine face, désigné dans son ensemble par la référence 1 et qui se compose, de manière classique, d'une enveloppe 2 généralement cylindrique à l'avant de laquelle est disposée une roue de coupe 3 munie d'outils de coupe, non représentés, destinés à l'abattage du terrain sous l'avance du tunnelier. Cette roue de coupe 3 est entraînée en rotation par au moins un moteur 4 à une vitesse déterminée qui est fonction de la nature du terrain à creuser. Le tunnelier 1 comporte aussi des moyens d'évacuation des gravats qui sont constitués, dans l'exemple de réalisation représenté à la Fig. 1, d'une vis sans fin 5 s'étendant de la partie avant vers la partie arrière du tunnelier 1. Le tunnelier 1 comporte également des moyens 6 de déplacement axialement de la roue de coupe 3, un magasin 7 de stockage de voussoirs 10 et un dispositif 11 de pose des voussoirs 10 à l'intérieur du tunnel. Le dispositif 11 de pose des voussoirs 10 à l'intérieur du tunnel se compose d'un érecteur 12 supportant une table 13 de préhension de chaque voussoir 10 pour le prélèvement dudit voussoir 10 du magasin de stockage 7 et le transfert de ce voussoir 10 à l'inté- rieur du tunnel. Les voussoirs 10 constitués par des plaques courbes en béton préfabriqué ou en fonte sont destinés à consolider la paroi interne 9 du tunnel. Pour cela, ces voussoirs 10 sont posés à l'intérieur du tunnel de manière contiguë latéralement pour former une succession longitudinale de séries annulaires 14 de voussoirs 10, comme représenté à la Fig. 2. Du béton est ensuite injecté entre la face externe des voussoirs 10 et la paroi interne 9 du tunnel. De préférence, les voussoirs 10 sont décalés angulairement d'une série annulaire 14 à l'autre. Les voussoirs 10 sont reliés entre eux par des organes de fixation 20 (Fig. 6) qui sont disposés radialement par rapport à l'axe du tunnel pour relier les voussoirs 10 d'une même série annulaire 14 ou disposés axialement par rapport à cet axe pour relier les voussoirs 10 d'une série annulaire 14 à la série annulaire 14 adjacente, comme représenté à la Fig. 2. Pour cela, les voussoirs 10 comportent, de manière classique, des logements 15 pour le positionnement des organes de fixation 20 et des inserts filetés 16 pour le vissage des ces organes de fixation 20. Ainsi que représenté à la Fig. 2, les logements 15 et les inserts 16 sont orientés radialement ou axialement par rapport à l'axe du tunnel. Par ailleurs, les faces latérales de chaque voussoir 10 sont pourvues d'un joint d'étanchéité 17 (Fig. 2) qui s'écrase lors de la liaison des voussoirs 10 par les organes de fixation 20 pour éviter toute fuite provenant de l'extérieur ou de l'intérieur du tunnel. Comme représenté à la Fig. 6, chaque organe de fixation 20 qui est constitué par une vis comporte, d'une extrémité à l'autre, une partie filetée 21, un fût cylindrique 22, une embase 23 et un carré d'entraînement 24. Pour permettre la pose et le vissage des organes de fixation 20, le tunnelier 1 est équipé d'un dispositif automatique de positionnement et de vissage de ces organes de fixation 20. Ainsi que représenté schématiquement aux figures 1 et 3, le dispositif automatique de positionnement et de vissage des organes de fixation 20, désigné dans son ensemble par la référence 30, comprend une couronne 31 montée déplaçable en rotation par des moyens de commande sur une structure de support fixe 18 du tunnelier. Ainsi que représenté à la Fig. 3, la couronne 31 comporte un évidement central 31a pour le passage des éléments de support de l'érecteur 12 et une potence 32 supportant à son extrémité libre un bras 33 s'étendant perpendiculairement à ladite couronne 31. Ainsi que représenté schématiquement à la Fig. 5, le dispositif 30 comporte également - un magasin 34 de stockage des organes de fixation 20 supporté par le bras 33, - un chariot 40 monté déplaçable en translation longitudinale sur ledit bras 33 par des moyens d'entraînement, - un élément de préhension 50 supporté par le chariot 40 pour la prise des organes de fixation 20 du magasin de stockage 34 et la pose de ces organes de fixation 20 dans les logements 15 correspondants, - et une visseuse 60 supportée par le chariot 40 pour le vissage des organes de fixation 20 dans les inserts 16 correspondants. Comme on le voit à la Fig. 4, la couronne 31 est montée libre en rotation sur la structure de support 18 au moyen d'un roulement 35, par exemple à billes. Les moyens de commande du déplacement en rotation de cette couronne 31 sont formés par un pignon 36 entraîné en rotation par un moteur 37, par exemple hydraulique ou par une autre source d'alimentation engrénant avec une denture 38 ménagée à la périphérie de ladite couronne 31. Ainsi que représenté sur les Figs. 7 et 8, le chariot 40 est constitué par une plaque qui est montée déplaçable en translation longitudinale sur le bras 33 au moyen par exemple de galets 41a supportés par le chariot 40 et coopérant avec des pistes de roulement 41b ménagées sur la face supérieure du bras 33. Les moyens d'entraînement en translation du chariot 40 sont formés, d'une part, par un pignon 42 relié par un arbre 43 à un moteur 44, par exemple hydraulique ou par une autre source d'alimentation, supporté par ledit chariot 40 et, d'autre part, par une crémaillère 45 engrénant avec le pignon 42. La crémaillère 45 est disposée sur la face supérieure du bras 33 et s'étend sensiblement sur toute la longueur de ce bras 33. L'élément de préhension 50 des organes de fixation 20 et la visseuse 60 supportés par le chariot 40 sont déplaçables en rotation et angulairement par des moyens de déplacement. Comme représenté sur les Figs 7 et 8, les moyens de déplacement de l'élément de préhension 50 et de la visseuse 60 sont formés par une bride 46 disposée sur la face supérieure du chariot 40. Cette bride 46 comporte une face inclinée 46a de support de l'élément de préhension 50 et de la visseuse 60. La bride 46 est montée libre en rotation sur le chariot 40 par exemple au moyen de butées à billes 47 et est entraînée en rotation par un moteur 48, par exemple hydraulique ou par une autre source d'alimentation, relié à ladite bride 46 par un arbre 49. Ainsi, lors de la rotation de la bride 46 entraînée par le moteur 48 et l'arbre 49, l'ensemble formé par l'élément de préhension 50 et la visseuse 60 est également entraînée en rotation. Comme représenté à la Fig. 9, l'élément de préhension 50 est constitué par une pince 51 formée de deux mâchoires 51a montées chacune articulée sur un corps 52. Le corps de pince 52 est monté articulé à l'extrémité d'un bras télescopique 53 qui est lui même monté articulé sur un socle 54 fixé sur la bride 46. Ainsi, compte tenu des différentes articulations, l'élément de préhension 50 est déplaçable dans toutes les directions et le bras télescopique 53 permet d'allonger ou de raccourcir la distance entre le corps de pince 52 et le socle 54. Enfin, la visseuse 60 est munie d'un mandrin télescopique 61 destiné à coopérer avec les carrés d'entraînement 24 des organes de fixation 20 pour le vissage de ces organes de fixation 20. Le dispositif selon l'invention fonctionne de la manière suivante. L'opérateur qui se trouve en dehors de la zone de travail commande par une radio de commande ou une télécommande l'érecteur 12 de manière à prélever du magasin de stockage 7 par l'intermédiaire de la table 13 un voussoir 10 à poser et réalise une approche visuelle très grossière de ce voussoir 10 à poser des voussoirs précédemment posés. Ensuite, par l'intermédiaire de capteurs de mesure et d'un programmateur, non représentés, la pose du voussoir 10 est réalisée automatiquement au moyen de l'érecteur 12. La position de ce voussoir 10 qui vient d'être posé et des voussoirs précédemment posés est mémorisée. Etant donné que les emplacements des logements 15 sur chaque voussoir sont connus, le programmateur commande automatiquement la pose et le vissage des organes de fixation 20. Pour cela, le programmateur commande l'orien- tation de la couronne 31 et du bras 33 par lintermé- diaire du moteur 37, du pignon 36 et de la couronne dentée 38 ainsi que la position du chariot 40 sur le bras 33 et l'orientation de la bride 46 par l'intermédiaire du moteur 48 pour que 1 'axe du mandrin 61 de la visseuse 60 se trouve dans l'axe du logement 15 du voussoir 10 qui vient d'être posé et de l'insert 16 du voussoir adjacent précédemment posé. Après cette première opération, le programmateur commande le déplacement de l'élément de préhension pour que les mâchoires 51a de la pince 50 viennent prélever un organe de fixation 20 du magasin de stockage 34. Ces mâchoires 51a de la pince 51 saisissent l'organe de fixation 20 au niveau du fût cylindrique 22 de cet organe de fixation 20. Ensuite, l'élément de préhension 50 positionne, grâce aux différentes articulations de cet élément de préhension 50 et du bras télescopique 53, l'organe de fixation 20 dans le logement 15 correspondant. L'extrémité libre du mandrin télescopique 61 de la visseuse 60 vient s'engager sur le carré d'entraînement 24 de l'organe de fixation 20 et les mâchoires 51a de la pince 51 libère cet organe de fixation 20. Le mandrin 61 de la visseuse 60 assure le vissage de cet organe de fixation 20 dans l'insert 17 du voussoir 10. Après le vissage de l'organe de fixation 20, le mandrin télescopique 61 de la visseuse 60 est ramené dans sa position initiale. L'opération est renouvelée pour chaque organe de fixation 20. Compte tenu des possibilités de déplacement de la couronne 31 et du chariot 40 sur le bras 33 ainsi que de l'élément de préhension 50 et de la visseuse 60, le dispositif selon l'invention permet de positionner et de visser les organes de fixation 20 orientés radialement par rapport à l'axe du tunnel et axialement par rapport à cet axe. Le dispositif selon l'invention permet donc de réaliser automatiquement la mise en place et le vissage des organes de fixation des voussoirs à l'intérieur du tunnel et d'augmenter la sécurité du travail, ainsi que la rapidité d'exécution. REVENDICATIONS 1. Dispositif automatique de positionnement et de vissage d'organes de fixation (20) de voussoirs (10) à l'intérieur d'un tunnel creusé par un tunnelier (1), lesdits voussoirs (10) comportant, d'une part, des logements (15) de réception des organes de fixation (20) et, d'autre part, des inserts (16) de vissage desdits organes de fixation (20) orientés axialement et radialement par rapport à l'axe du tunnel, caractérisé en ce qu'il comporte - une couronne (31) montée déplaçable en rotation par des moyens de commande sur une structure de support fixe (18) du tunnelier (1), - un bras (33) solidaire et s'étendant perpendiculairement audit plateau (31), - un magasin de stockage (34) des organes de fixation (20) supporté par le bras (33), - un chariot (40) monté déplaçable en translation longitudinale sur ledit bras (33) par des moyens d'entraînement, - un élément de préhension (50) supporté par le chariot (40) pour la prise des organes de fixation (20) du magasin de stockage (34) et la pose de ces organes de fixation (20) dans les logements (15) correspondants, - et une visseuse (60) supportée par le chariot (40) et comportant un mandrin télescopique (61) pour le vissage des organes de fixation (20) dans les inserts (16) correspondants. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande du déplacement en rotation de la couronne (31) sont formés par un pignon (36) entraîné en rotation par un moteur (37) et engrénant avec une denture (38) ménagée à la périphérie du plateau (31). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement en translation du chariot (40) sont formés, d'une part, par un pignon (42) entraîné en rotation par un moteur (44), par exemple pneumatique, supporté par ledit chariot (40) et, d'autre part, par une crémaillère (45) engrénant avec le pignon (42), ladite crémaillère (45) étant portée par le bras (33) et s'étendant sensiblement sur toute la longueur de ce bras (33). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de préhension (50) et la visseuse (60) sont déplaçables en rotation et angulairement par des moyens de déplacement. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que les moyens de déplacement de l'élément de préhension (50) et de la visseuse (60) sont formés par une bride (46) comportant une face (46a) inclinée de support dudit élément de préhension (50) et de ladite visseuse (60), ladite bride (46) étant montée libre en rotation sur le chariot (40) et entraînée par un moteur (48) par exemple pneumatique 6. Dispositif selon la revendication 1 ou 5, caractérisé en ce que l'élément de préhension (50) des organes de fixation (20) comprend une pince (51) articulée à l'extrémité d'un bras télescopique (53) monté articulé sur la bride (46).