Brevet FR2904335A1 — publié le 20080201

L'invention est relative à la substitution des rails sur une ligne à grande vitesse. Cette opération consiste à remplacer les rails usés par des rails neufs sans intervenir sur les autres éléments de la voie (plate-forme, ballast, traverses). Elle implique typiquement la mise en oeuvre des étapes suivantes approvisionnement de barres longues d'environ 300 mètres, préalablement réalisées dans des ateliers de soudage éloignés du chantier à partir de rails élémentaires d'environ 80 mètres et plus rarement 120 à 150 mètres provenant des usines de fabrication de rails, approvisionnement de barres longues d'environ 300 mètres, préalablement réalisées dans des ateliers de soudage éloignés du chantier à partir de rails élémentaires d'environ 80 mètres et plus rarement 120 à 150 mètres provenant des usines de fabrication de rails, enlèvement des attaches et tronçonnage des rails usés, et tronçonnage des rails usés, enlèvement des rails usés, mise en place des barres longues neuves, soudage alumino-thermique des barres longues entre elles, fixation des rails neufs sur les traverses, raccordement des rails neufs à la ligne existante par soudures alumino-20 thermiques, libération des contraintes (desserrage des attaches des rails neufs, frappe, resserrage des attaches), le rechargement des rails usés, le nettoyage du chantier. 25 L'un des inconvénients des processus actuellement mis en oeuvre pour ces opérations de substitution de rails est qu'ils se déroulent sur une période de temps relativement importante, de l'ordre de plusieurs semaines, au cours de laquelle, afin de ne pas supprimer toute possibilité d'exploitation commerciale de la ligne en travaux, on fait alterner des phases d'interception avec des phases d'exploitation. Par 30 convention, on désigne par phase d'interception, le laps de temps d'intervention du train de travaux sur la longueur de voie en travaux, entre deux phases d'exploitation. Dans le cas des lignes à grande vitesse, telles que celles que l'on connaît en France 2904335 2 sous le nom de lignes TGV., où les vitesses d'exploitation sont de l'ordre de 300 km/h, les opérations de substitution imposent deux contraintes particulières : la première est que la longueur unitaire des trains de travaux, quel que soit leur nombre sur un même chantier, ne doit pas dépasser une longueur 5 de l'ordre de 500 à 600 mètres, la seconde est que, pendant la durée du chantier de substitution, la vitesse de circulation pendant les phases d'exploitation alternant avec les phases d'interception doit être ralentie à environ 160 km/h, en raison de la présence dans l'emprise de la voie, pendant tout la durée du chantier, de 10 matériaux en attente d'utilisation ou d'enlèvement (barres longues neuves, tronçons de rails usés, attaches, etc.). La présente invention à pour but de proposer une nouvelle méthode de substitution de rails qui soit utilisable sur les lignes à grande vitesse sans ralentissement de la 15 vitesse commerciale lors des phases d'exploitation alternant avec les phases d'interception pendant la période d'exécution du chantier de substitution. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de substitution des rails d'une ligne à grande vitesse caractérisé en ce que les rails neufs élémentaires sont acheminés directement sur le chantier de renouvellement par des wagons faisant partie du train de travaux, en ce qu'ils sont déchargés sur des galets entre les files de rails à substituer, en ce qu'ils sont assemblés sur place en barres longues par étincelage-forgeage, en ce que, simultanément au remplacement des tronçons de rails usés par les barres longues neuves, lesdites barres longues sont libérées par chauffage à induction à une température comprise entre 25 C et 32 C, mises en place et immédiatement fixées, en ce que le raccordement des rails neufs à ceux de la voie existante s'effectue au moyen de soudures alumino-thermiques, en ce que les tronçons de rails usés sont immédiatement rechargés sur des wagons faisant partie du train de travaux, et en ce que en fin de poste, le train de travaux est dégagé du chantier pour permettre de restituer la voie avec une capacité de circulation à vitesse commerciale normale. L'approvisionnement direct des rails neufs élémentaires sur le chantier et l'utilisation 2904335 3 de machines, en elles-mêmes connues, capables de pratiquer en voie des soudures par étincelage forgeage et de chauffer les barres longues lors de la substitution permettent de constituer un unique train de travaux respectant la longueur maximale de 500 à 600 mètres autorisée sur les lignes à grande vitesse et de supprimer les 5 opérations de libération des contraintes. Du fait de l'approvisionnement des rails élémentaires neufs et de l'embarquement des tronçons de rails et autres matériels usés sur des wagons appartenant au même train de travaux, il ne subsiste plus, lorsqu'une phase d'interception est terminée, de matériaux en attente le long de la tranche traitée, si bien qu'il n'y a plus lieu de mettre en place un ralentissement lors 10 des phases d'exploitation alternant avec les phases d'interception de la ligne. La mise des rails neufs élémentaires sur galets assure leur flottement longitudinal pour permettre à la dilatation provoquée par le soudage de se répercuter sans soumettre le rail à des contraintes parasites provoquées par le frottement du patin du rail sur les traverses. De plus, cette mise des rails neufs sur galets permet d'améliorer la qualité 15 géométrique des soudures par étincelage-forgeage dès lors que les barres élémentaires peuvent librement coulisser longitudinalement durant les opérations de forgeage. Selon une caractéristique préférentielle, les galets de support des rails neufs 20 élémentaires sont disposés par paires, un galet pour chaque file de rail, chaque galet d'une même paire étant écarté d'environ 40 centimètres par rapport à l'axe longitudinal de la voie. Typiquement, un train de travaux pour la mise en oeuvre du procédé de substitution 25 de rails conforme à l'invention se compose des éléments suivants dans cet ordre : une rame de wagons spécialisés pour le transport des rails élémentaires neufs, une goulotte de déchargement de rails neufs entre les rails de la voie à traiter, 30 une machine de soudage des rails par étincelage-forgeage, une machine de substitution des rails équipée de moyens de chauffage des barres longues, un wagon de transport de petit matériel, 2904335 4 une goulotte de rechargement des tronçons de rails usés, une rame de wagons spécialisés pour le transport des tronçons de rails usés, au moins deux locotracteurs, ou plus. 5 Selon une caractéristique préférentielle du procédé conforme à l'invention, à l'arrivée sur le chantier, avant de s'engager sur la zone à substituer pendant la phase d'interception (ci-après la zone de substitution), le train de travaux est fractionné en quatre sous-éléments pouvant se déplacer indépendamment les uns des autres sur le 10 chantier : un élément de tête comportant un groupe locotracteur, une rame de transport des rails élémentaires neufs, et une goulotte de dépose en voie des rails neufs ; une machine soudeuse auto-motrice; 15 une machine de substitution auto-motrice associée à un wagon de transport de petit matériel ; un élément de queue comportant par une goulotte de rechargement des rails usés, une rame de transport des rails usés et un groupe locotracteur. 20 Selon encore une autre caractéristique préférentielle du procédé conforme à l'invention, à chaque phase d'interception, deux à quatre rails élémentaires neufs d'une longueur unitaire de l'ordre de 120 à 160 mètres sont déposés pour chaque file de rails. 25 L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence au dessin annexé qui représente schématiquement un train de travaux pour la substitution de rails par le procédé de l'invention. 30 On voit sur le dessin que ce train, qui se déplace dans le sens de la flèche A, se compose de l'avant à l'arrière: de trois locotracteurs formant un attelage 1 de 45 mètres de longueur, d'un wagon sanitaire-réfectoire 2 d'une longueur de 20 mètres, d'une rame de wagons spécialisés 3 pour le transport des rails 2904335 5 élémentaires neufs, ladite rame étant composée de six wagons de 20 mètres, soit une longueur totale de 120 mètres, une goulotte 4 d'une longueur de 20 mètres, apte à déposer les rails de la rame précédente 3 entre les deux files de rails de la voie à traiter, 5 une machine soudeuse 5 apte à effectuer en voie la soudure des rails élémentaires neufs par étincelage-forgeage, une machine de substitution 6 munie de moyen de réchauffage des barres longues réalisées par la machine soudeuse 5, un wagon 7 pour le transport de petits matériels, formant avec les 10 machines 5 et 6 un ensemble d'une longueur de 85 mètres, une deuxième goulotte 8 d'une longueur de 20 mètres, apte à reprendre les tronçons de rails usés déposés de par et d'autre de la voie par la machine de substitution 6, une rame de wagons spécialisés 9 pour le transport des tronçons de rails 15 usés rechargés pair la goulotte 8, ladite rame étant composée de six wagons de 20 mètres, soit une longueur totale de 120 mètres, et deux locotracteurs 10 formant un attelage de 30 mètres de longueur. Ainsi la longueur totale d'un tel train de travaux, qui comporte tous les matériels et 20 appareils nécessaires pour procéder en un seul poste (une période d'interception) à une opération complète de substitution de rails et de dégagement intégral du chantier en fin de poste, est d'une longueur totale de l'ordre de 460 mètres, respectant la limite autorisée sur les lignes à grande vitesse. 25 L'emploi de cinq locotracteurs, trois à l'avant et deux à l'arrière par rapport au sens de déplacement, se justifie par la nécessité de disposer d'une puissance de traction suffisante pour faire franchir au train de travaux des rampes à 35 en répartissant le poids des engins nécessaires sur la longueur du train. Mais on pourrait sans sortir du cadre de l'invention adopter toute disposition alternative du ou des groupes de 30 machines de traction. Les deux machines de soudage 5 et de substitution 6 peuvent, par exemple, être du même type que celles qui ont été conçues par la société suisse SCHEUZCHZER et 2904335 6 qui sont dénommées commercialement BOA 811 pour la machine de soudage 5, et BOA 821 pour la machine de substitution de rail 6. La machine de soudage 5 est équipée de mâchoires qui saisissent simultanément et 5 maintiennent fixement les extrémités adjacentes de deux rails élémentaires neufs pendant toute la durée des opérations de pré-meulage, de soudure, de refroidissement de la surface soudée, de meulage du patin et du champignon à l'endroit de la soudure, et éventuellement de redressage. Les mâchoires sont montées sur un bâti coulissant longitudinalement pour obéir aux mouvements longitudinaux du rail 10 provoqués par le chauffage. Il y a deux groupes de mâchoires, une pour chaque file de rails. La machine comporte également sur des bâtis coulissant longitudinalement et transversalement des moyens de meulage, des moyens de refroidissement et des moyens de soudage par étincelage-forgeage aptes à traiter alternativement les deux files de rails. La machine comporte également des moyens de stockage pour les 15 rouleaux sur lesquels sont posés les rails élémentaires neufs. La machine de substitution 6 comporte pour chaque file de rails au moins un tunnel de chauffage des nouveaux rails par induction, des tirefonneuses automatiques pour desserrer les attaches des rails usés et pour resserrer les attaches des rails neufs, un 20 dispositif d'appui sur les traverses, des pinces pour l'extraction des rails usés et des pinces pour la mise en place des rails neufs. Le processus se déroule de la manière suivante : A l'arrivée sur le chantier, avant de s'engager sur la zone à substituer pendant la 25 phase d'interception (ci-après la zone de substitution), le train de travaux est fractionné en quatre sous-éléments pouvant se déplacer indépendamment les uns des autres sur le chantier : un élément de tête constitué par le groupe locotracteur 1, le wagon sanitaire-réfectoire 2, la rame 3 de transport des rails élémentaires neufs, 30 et la goulotte 4 de dépose en voie des rails neufs la machine soudeuse 5; la machine de substitution 6 et le wagon de petits matériaux 7; un élément de queue constitué par la goulotte 8 de rechargement des rails 2904335 7 usés, la rame 9 de transport des rails usés et le groupe locotracteur 10. Les rails élémentaires neufs sortant des usines de fabrication ont généralement une longueur comprise entre 80 et 160 mètres. Dans l'exemple de réalisation ici décrit on 5 utilise des rails élémentaires d'une longueur de 120 mètres qui sont stockés sur la rame 3 appartenant à l'élément de tête. Ils sont déposés selon deux files parallèles entre les rails de la voie, à partir de la rame 3 au moyen de la goulotte 4. Pour une phase d'interception d'environ sept 10 heures, on dépose trois rails élémentaires neufs par file de rails, soit une longueur approximative de 360 mètres pouvant varier de plusieurs dizaines de centimètres en plus ou en moins en fonction de l'espace laissé entre deux rails consécutifs et de la dilatation des rails sous l'influence de la température extérieure. Comme indiqué précédemment, les rails élémentaires neufs sont déposés sur des galets de support 15 disposés par paires, chaque galet d'une même paire étant écarté d'environ 40 centimètres par rapport à l'axe longitudinal de la voie. Ces galets peuvent par exemple être stockés sur un. chariot de service (usuellement appelé lorry ) transporté par l'élément de tête du train de travaux et détaché de celui-ci avant son engagement sur la zone à substituer. Généralement, une paire de galets sera déposée 20 tous les 10 à 15 mètres. Après dépose des rails élémentaires neufs sur les galets, l'élément de tête du train de travaux est mis en attente en aval de la zone de travail. Immédiatement après la dépose du premier rail élémentaire de chaque file, une découpe est effectuée sur les deux rails anciens au début de la zone de substitution. 25 Des vérins sont mis en place sur les abouts des deux premiers rails élémentaires neuf adjacents à la découpe pour maintenir constante la valeur du décalage longitudinal entre ces abouts et les abouts des rails de la voie existante auxquels ils seront ultérieurement réunis par des soudures alumino-thermiques. La valeur de ce décalage sera ainsi maintenue dans les limites de tolérance de l'intercalaire des soudures 30 alumino-thermiques qui est en pratique de l'ordre de 20 à 26 millimètres. La machine soudeuse 5 est engagée sur la zone de substitution et effectue sur chaque file de rails élémentaires neufs deux soudures pour assembler les trois rails en une 2904335 8 seule barre longue, soit deux barres longues de 360 mètres environ en attente entre les deux files de rails usés. De préférence, la machine soudeuse est équipée de moyens de meulage ou de ponçage pour traiter les abouts des rails élémentaires neufs avant leur soudure, ceci 5 afin de faciliter la circulation du courant électrique lors de la soudure par étincelage-forgeage. En cas de nécessité, on pourra à ce stade procéder à une homogénéisation des contraintes dans les barres longues ainsi constituées en appliquant des frappes sur 10 une longueur d'environ 50 mètres de part et d'autre de chaque soudure. Cette opération peut être effectuée manuellement par un opérateur se déplaçant en même temps que la machine soudeuse 5. Dès la fin de la première opération de soudage effectuée par la machine soudeuse 5, 15 entre le premier et le deuxième rail élémentaire neuf de chaque file, la machine de substitution 6 est engagée sur la zone de substitution. La machine de substitution 6 accomplit les opérations de desserrage et d'enlèvement des attaches des rails usés, d'extraction et dépose des coupons de rails usés de part et d'autre de la voie, de chauffage par induction des barres longes neuves à une température comprise entre 20 25 C et 32 C, de mise en place et fixation des barres longues neuves. Grâce à cette mise en place des rails chauffés à leur température de moindre dilatation, il ne se produit pas dans les barres longues de contraintes dépassant la capacité d'absorption des attaches et du ballast de sorte que l'opération de libération des contraintes, obligatoire avec les processus de substitution connus, est devenue inutile. 25 Avantageusement, la machine de substitution 6 est équipée de moyens de détirefonnage et de tirefonnage automatiques. Les attaches existantes sont démontées et triées, les attaches usées étant immédiatement ramassées et évacuées, tandis que les attaches réutilisables sont laissées en attente sur place pour la fixation des rails 30 neufs. Avantageusement, la machine de substitution 6 est équipée de moyens pour désoxyder la table de roulement des nouveaux rails immédiatement après leur 2904335 9 fixation, par exemple des groupes de brossage mécanique. Derrière la machine de substitution 6, l'élément de queue du train de travaux est engagé dans la zone de substitution et, au moyen de la goulotte 8, assure la reprise 5 des coupons de rail usés de part et d'autre de la voie et leur chargement sur les wagons de la rame 9. Il est ensuite éloigné de la zone de substitution. La continuité de la voie est rétablie par deux soudures alumino-thermiques. 10 Le train de travaux est reformé et retourne à son poste d'attente jusqu'à la phase d'interception suivante. Entre-temps, la voie est rendue à la circulation commerciale sans ralentissement. 15 L'alternance des phases d'interception et des phases d'exploitation se poursuit jusqu à l'achèvement de la substitution sur la longueur de voie concernée. REVENDICATIONS 1-) Procédé de substitution des rails d'une ligne à grande vitesse caractérisé en ce que les rails neufs élémentaires sont acheminés directement sur le chantier de renouvellement par des wagons faisant partie du train de travaux, en ce qu'ils sont déchargés sur des galets entre les files de rails à substituer, en ce qu'ils sont assemblés sur place en barres longues par étincelage-forgeage, en ce que, simultanément au remplacement des tronçons de rails usés par les barres longues neuves, lesdites barres longues sont libérées par chauffage à induction à une température comprise entre 25 C et 32 C, mises en place et immédiatement fixées, en ce que le raccordement des rails neufs à ceux de la voie existante s'effectue au moyen de soudures alumino-thermiques, en ce que les tronçons de rails usés sont immédiatement rechargés sur des wagons faisant partie du train de travaux, et en ce que en fin de poste, le train de travaux est dégagé du chantier pour permettre de restituer la voie avec une capacité de circulation à vitesse commerciale normale. 2-) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que à l'arrivée sur le chantier, avant de s'engager sur la zone à substituer pendant la phase d'interception, le train de travaux est fractionné en sous-éléments pouvant se déplacer indépendamment les uns des autres sur le chantier. 3-) Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les galets de support des rails neufs élémentaires sont disposés par paires, un galet pour chaque file de rail, chaque galet d'une même paire étant écarté d'environ 40 centimètres par rapport à l'axe longitudinal de la voie. 4-) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que pour chaque phase d'interception deux à quatre rails élémentaires neufs d'une longueur unitaire de l'ordre de 120 à 160 mètres sont déposés pour chaque file de rails. 5-) Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que pour chaque phase d'interception d'environ sept heures, trois rails élémentaires neufs d'une longueur unitaire d'environ 120 mètres sont déposés pour chaque file de rails. 10 2904335 11 6-) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que immédiatement après la dépose du premier rail élémentaire neuf de chaque file on effectue une découpe des deux rails usés à l'origine de la zone de substitution et en 5 ce que des vérins sont mis en place sur les abouts des deux premiers rails élémentaires neuf adjacents à la découpe pour maintenir constante la valeur du décalage longitudinal entre ces abouts et les abouts des rails de la voie existante auxquels ils seront ultérieurement réunis par des soudures alumino-thermiques. 10 7-) Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la valeur du décalage est maintenu dans les limites de tolérance de l'intercalaire des soudures aluminothermiques. 8-) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que on 15 procède à une homogénéisation des contraintes dans les barres longues constituées par les opérations de soudure des rails élémentaires neufs en appliquant des frappes sur une longueur d'environ 50 mètres de part et d'autre de chaque soudure. 9-) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la 20 table de roulement des rails neufs est désoxydée immédiatement après la fixation de ces derniers. 10-) Train de travaux pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il se compose des éléments suivants dans 25 cet ordre une rame de wagons spécialisés (3) pour le transport des rails élémentaires neufs, une goulotte (4) de déchargement de rails entre les rails de la voie, une machine de soudage (5) des rails par étincelage-forgeage, 30 une machine de substitution (6) des rails équipée de moyens de chauffage des barres longues, un wagon de transport (7) de petit matériel, une goulotte (8) de rechargement des tronçons de rails usés, 2904335 12 une rame de wagons spécialisés (9) pour le transport des tronçons de rails usés, un ou plusieurs loco-tracteurs (1, 10). 5 11-) Train de travaux selon la revendication 10, caractérisé en ce que la machine soudeuse (5) est équipée de moyens de meulage ou de ponçage pour traiter les abouts des rails élémentaires neufs avant leur soudure. 12-) Train de travaux selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la 10 machine de substitution (6) est: équipée de moyens de détirefonnage et de tirefonnage automatiques. 13-) Train de travaux selon l'une quelconque des revendication 10 à 12 caractérisé en ce que la machine de substitution (6) est équipée de moyens pour désoxyder la table 15 de roulement des nouveaux rails. 14-) Train de travaux selon l'une quelconque des revendications 10 à 13 pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sous-éléments autonomes du train sont constitués comme suit : 20 - un élément de tête comportant un groupe locotracteur (1), une rame de transport des rails élémentaires neufs (3), et une goulotte (4) de dépose en voie des rails neufs ; - une machine soudeuse (5) auto-motrice; - une machine de substitution (6) auto-motrice associée à un wagon de transport (7) de petit matériel ; 25 - un élément de queue comportant une goulotte (8) de rechargement des rails usés, une rame de transport (9) des rails usés et un groupe locotracteur(10).