Brevet FR3047510A1 — publié le 20170811

DISPOSITIF DE FORAGES DE ROCHE EN TRANCHEE « FORAGE REVOLVER » DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de forage rapide permettant de découper la roche par la juxtaposition de plusieurs forages de petits diamètres pour permettre la réalisation d'une tranchée étroite. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION A - Cas du tube battu dans un terrain dur avec forage concomitant: Le battage des fondations de très grand tubes, communément dénommés « monopiles » (désignés « tubes monopiles » dans la suite du texte), est une méthode courante pour la mise en place des embases d'éoliennes notamment en mer, au large des côtes. Les très puissants marteaux de battage enfoncent les tubes monopiles à des vitesses variant suivant la dureté du terrain traversé. Parfois cette dureté est trop importante pour permettre l'enfoncement complet du tube. Deux cas sont alors possibles : soit le tube se trouve à une profondeur acceptable et suffisante pour reprendre les charges de sa fonction, soit il est nécessaire de le faire descendre plus profondément et, le plus souvent, jusqu'au niveau prévu par les calculs. Dans ces derniers cas, il est courant de creuser à l'intérieur de ce tube afin de décomprimer la roche et relâcher les contraintes de frottement appliquées par le terrain sur la face intérieure du tube. Il est d'usage d'effectuer ce forage à l'aide d'une machine fixée au sommet du 25 tube. Celle-ci exerce la force de pression et de rotation sur la tête de forage qui attaque le terrain en tournant. Cette machine creuse la pleine face du terrain se trouvant à l'intérieur du tube. Dans le cas des monopiles pour les éoliennes de plusieurs mégawats le diamètre de ces tubes peut être supérieur à 7m. Le volume à extraire est alors très 30 important et la durée de forage est extrêmement longue (quelques centimètres à l'heure). 3047510 2 Un premier but de l'invention est donc de réduire le forage à une tranchée étroite qui assure, comme dans la méthode traditionnelle, la décompression de la roche en contact avec la surface du tube. Ce forage en tranchée étroite laisse le noyau central de la roche en place. De cette manière, grâce à l'invention, le volume à 5 excaver est considérablement réduit et donc, dans la même proportion, le temps de l'opération. Il est à noter que l'invention, équipée de marteaux « fond de trou », augmente encore la rapidité de la réalisation de la tranchée. En effet cette technique courante de forage de faible diamètre dans le rocher permet des performances de creusement allant jusqu'à 30m/heure. 10 L'invention est particulièrement pertinente pour les tranchées cylindriques ou tronconiques mais, suivant la pièce à y insérer, elle peut s'appliquer également à des formes de tranchées polygonales. B -Cas de tubes installés dans une roche dure avec un forage préalable : 15 Un deuxième but de l'invention est d'utiliser cette technique dans le cas de roche dure où l'installation des tubes monopiles n'est pas possible par battage. Dans ce cas, il est courant de creuser un trou d'un diamètre légèrement supérieur au diamètre du tube jusqu'à la profondeur requise. Le forage et l'excavation de la roche se font alors par étapes successives et le tube placé à l'intérieur est 20 habituellement scellé au terrain par un mortier remplissant tout l'espace excavé. Dans le cas des monopiles le volume à forer dans la roche est très important. La durée de forage est extrêmement longue et le volume de mortier de scellement du tube est très important car il doit prendre la place du terrain excavé. Dans ce cas « B » également, l'invention permet de réduire le forage à une 25 tranchée étroite. Ce découpage, en laissant le noyau central de la roche en place, permet de réduire considérablement le volume de roche à forer et la quantité de mortier à mettre en place. Dans ces deux cas (« A » et « B ») un but principal de l'invention est de réduire' de façon très importante le temps de l'opération de forage et ainsi de réduire les 30 coûts et les risques associés. Ces avantages sont particulièrement intéressants lorsque ces tubes monopiles sont installés en mer où les opérations sont conditionnées aux prévisions météorologiques. 3047510 3 Un autre avantage de l'invention consiste à utiliser des outils de forage courants, robustes et éprouvés, facilement interchangeables et économiques. Le dispositif permet également d'ajuster les angles verticaux de chaque petit forage afin de forer une tranchée légèrement conique et ainsi de s'adapter aux 5 besoins réels déterminés par les paramètres géotechniques et de battage. La légèreté du dispositif de forage défini par l'invention est encore un avantage important en comparaison avec les foreuses de grand diamètre existantes. 10 Sur le plan environnemental, grâce à l'invention, le volume de la roche à excaver est très réduit, et les risques de turbidité produite par l'excavation sont extrêmement faibles. Grâce à l'invention il est même possible et très simple dans le cas « A » de replacer directement les déblais à l'intérieur du tube pendant tout le temps du forage et de les y laisser après enlèvement de la machine. Ainsi, en cas de forage maritime, 15 l'opération de forage n'apporte aucune turbidité dans l'eau. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On décrira, dans cet exemple non limitatif, en première partie un dispositif de 20 forage dans le cas du tube battu dans un terrain dur avec forage concomitant (cas « A »), puis en seconde partie, un dispositif de forage avec un sol trop dur pour permettre le battage du tube en concomitance avec le forage. Dans ce cas « B » le dispositif de forage réalise la tranchée avant la pose du tube monopile. A- Description du cas où le forage est concomitant avec le battage du tube monopile. En référence à la figure 1(section verticale) : le tube monopile (a) est enfoncé dans le sol jusqu'à une profondeur limitée par la dureté du sot et la puissance du matériel de battage. Situation que le dispositif, objet de l'innovation, permet de 30 remédier efficacement. 3047510 4 En référence à la figure 2 (section verticale) : Le dispositif de forage d'une tranchée périphérique dans un sol dur pour permettre l'enfoncement d'un tube de grand diamètre comprend : - un châssis (b) supportant les guides de forage (d) et outils de forage (e) 5 par l'intermédiaire des supports (c), - les dispositifs de forage (e) sont répartis régulièrement à la périphérie du châssis sur les supports crémaillères. Ces dispositifs de forage sont équipés de guides de forage (d) dont la longueur est adaptée à la dimension du forage requis, 10 - les supports (c) assurent le centrage et l'appui sur la tête du tube (a). Ils sont aptes à être ajustés en altitude pour s'adapter au niveau supérieur du tube avant l'opération de forage, - éventuellement, un dispositif permettant l'inclinaison suivant le plan vertical du guide de forage (d) afin que la tranchée soit positionnée à la distance 15 requise de la paroi du tube de grand diamètre (a), - éventuellement, un réservoir attenant permettant la récupération des déblais de forage si cette fonction est requise. Il est placé à l'intérieur du tube monopile et repose sur la partie supérieure de celui-ci par l'intermédiaire du support (c) réglé à une hauteur telle que les guides de 20 forage (d) soient à une faible distance du sol (-1m). En référence à la figure 3 (vue de dessus) : le dispositif représenté ici comporte 3 outils de forage (e) disposés à 120° répartis régulièrement à la périphérie du châssis sur les crémaillères. Chaque outil assure le forage de l'angle qui lui est attribué (120° dans l'exemple présenté). La rapidité de réalisation de la tranchée 25 complète est proportionnelle au nombre d'outils de forage. En conséquence, grâce à l'invention, il peut être intéressant d'augmenter le nombre des outils de forage (e) pour réduire le temps de creusement. En référence à la figure 4 : Les outils (e) forent simultanément la profondeur-requise pour permettre l'achèvement de l'enfoncement du tube monopile (a) par les moyens classiques. Un outil de forage est composé principalement d'un moteur (el) qui assure la rotation, d'un train de tiges (e2) qui permet la transmission de l'énergie au marteau de forage (e3) qui assure le forage, et d'un guide de forage (d) qui 3047510 5 impose la direction linéaire du forage. Sur cette figure les outils de forage ont atteints la profondeur requise. En référence à figure 5-1 (vue de dessus de la partie inférieure) : Le châssis (b) comporte une crémaillère dont le pas (I) est en rapport direct avec le diamètre de la 5 foreuse (e3). Une fois la profondeur requise atteinte, les outils (e) sont remontés complètement et déplacés d'un pas sur les crémaillères suivant les instructions de l'opérateur. En référence à la figure 5-2 (section verticale) : les outils de forage (e) sont remontés pour permettre aux crémaillères le déplacement d'une valeur (I) 10 prédéterminée par le calcul afin de réaliser la tranchée étroite. En référence à la figure 6 : présentation des détails de deux forages consécutifs où la longueur d'un pas de déplacement (I) est déterminée de manière à ce que les cercles se coupent pour faire une tranchée continue dans le terrain. Elle est donc 15 déterminée en fonction du diamètre de forage choisi. Dans l'exemple proposé le diamètre de forage est de 380mm, la longueur du pas de déplacement est de 340 mm et la largeur minimum de la tranchée est de 163mm. En référence à la figure 7 : Le nombre de forages sera d'autant plus important 20 que le diamètre choisi pour les foreuses sera petit. Dans l'exemple choisi, pour un diamètre de tranchée de 5,60m moyen, le nombre de forage est de 51, soit 17 par outil de forage. En référence à la figure 8 qui présente le principe de la marche alternée : Il peut être intéressant d'alterner les forages pour que les sections d'attaque du marteau 25 soient symétriques. Plusieurs séquences de déplacement du dispositif de forage sont envisageables de manière à rendre symétrique les frottements sur le « marteau de forage » (d3) et ainsi de limiter les risques de déviation au creusement. On voit ici que le forage 1 est exécuté en premier. Il est suivi par le forage 2 écarté de deux pas. Ces deux forages se font sur une section complète. Le forage 3 est réalisé en arrière, 30 entre les forages 1 et 2 et donc sur une section réduite par les zones déjà forées par 1 et 2 mais la section 3 reste symétrique par rapport à son centre. 3047510 6 En référence à la figure 9 (détails de la tranchée périphérique intérieure ou extérieure) : Il est à noter que la décompression nécessaire du terrain produite par cette tranchée périphérique est déterminée par les calculs de géotechnique. Cette décompression est proportionnelle à la distance (x) entre le tube monopile et la 5 tranchée. En référence aux figures 10 et 11 : Le dispositif est représenté ici en section verticale dans une configuration où la tranchée périphérique sera creusée extérieurement au tube monopile respectivement avant creusement puis après creusement. Que cette tranchée soit intérieure ou extérieure au tube monopile, le 10 dispositif permet d'ajuster cette distance en inclinant plus ou moins, suivant un plan vertical, les guides de forage (d). La tranchée est alors légèrement inclinée suivant l'angle d'inclinaison des guides de forage. B - Description du cas où le tube monopile est mis en place après le forage 15 de la tranchée. Ce cas se présente quand la roche est trop dure pour permettre le battage du tube monopile. Le tube monopile sera donc positionné après le forage complet de la tranchée. En référence à la figure 12 : l'invention permet d'effectuer un forage en se 20 basant sur un pieu guide central (f) de diamètre réduit (dans l'exemple il est envisagé un diamètre de -800mm) mis en place suivant les méthodes classiques. Il sert de guide pour toute l'opération. Il permet le centrage et le réglage de la verticalité de l'élément (b) pour le forage. En référence à la figure 13 : le dispositif (b) est enfilé autour du pieu guide et 25 effectue ses forages successifs de la même manière que dans les cas précédents. La tranchée se trouve centrée précisément par pieu guide central. En référence à la figure 14 : le dispositif représenté ici vu de dessus, comporte 3 outils de forage (e) supportés par les guides (d) disposés à 120°. Avec son guide (d), chaque outil (e) assure le forage de l'angle qui lui est attribuée (120° dans l'exemple 30 présenté). 3047510 7 En référence aux figures 15 (vue de dessus), 16 et 17 (sections verticales) : les outils (e) forent simultanément la profondeur requise pour permettre l'achèvement de la mise en place du tube monopile (a) par les moyens classiques. En référence aux figures 18 et 19 (vues de dessus), la tranchée est forée 5 verticalement. En attendant la mise en place du tube monopile, elle peut être comblée de matériaux pulvérulents (sable) de manière à éviter des obstructions. En référence aux figures 20, 21 (sections verticales) et 22 (vue de dessus) : le tube guide central (f) sert de centrage et de contrôle de verticalité pour la mise en place du tube monopile (a) par l'intermédiaire de pièces de guidage (g). Le tube 10 monopile (a), parfaitement centré de cette manière, pourra être descendu dans la tranchée par simple vibration ou injection d'eau. En référence à la figure 23 (vue de dessus) : le scellement définitif du tube monopile (a) pourra se faire suivant les techniques usuelles par injection de coulis de ciment par exemple. Le volume d'injection étant alors limité au volume réduit de la 15 tranchée. Les pièces de guidage pouvant alors être enlevées si nécessaire. En référence à la figure 24 : vue en perspective de la partie haute d'un dispositif comportant 6 outils de forage, intérieurs au tube de grand diamètre. Dans cette vue les foreuses n'ont pas encore commencé leur action. Le dispositif de l'invention est dans une configuration de forage intérieur pour une « Monopile » de fondation 20 éolienne en mer (ici est représenté à l'échelle, le cas du champ éolien prévu au large de Saint-Nazaire). En référence à la figure 25 : les vues représentent le même dispositif en partie basse. Dans ces vues les foreuses sont en fin de creusement du premier trou de la tranchée annulaire. 25 En référence aux figures 26 et 27 (vues de dessus) : le dispositif de l'invention permet de réaliser simplement des tranchées périphériques étroites de formes polygonales. Il est alors intéressant, pour en simplifier le fonctionnement, d'adapter le nombre de foreuses au nombre de côtés du polygone (dans l'exemple de la figure 26 6 foreuses s'adaptent aux 6 côtés de l'hexagone. 30 La figure 27 montre le cas d'une tranchée rectangulaire où le nombre de foreuses est adapté au linéaire à forer. Ici le rectangle a un grand côté deux fois plus 3047510 8 long que le petit, il peut être intéressant de mettre deux foreuses sur ce grand côté de manière à réduire au mieux le temps de forage. Les crémaillères comportent un pas (I) en rapport direct avec le diamètre de marteaux de forage (e3), les marteaux de forage étant compris dans les outils de 5 forage (e). Les outils de forage (e) sont configurés pour se déplacer selon une séquence de déplacements alternés permettant d'obtenir des frottements symétriques sur les marteaux de forage (e3) et réduire ainsi les risques de déviations. Les crémaillères sont configurées pour déplacer les outils de forage (e) d'une valeur 10 (I) prédéterminée par le calcul afin de réalisé la tranchée étroite. Le pieu guide central (f) est configuré pour permettre la mise en place du tube monopile (a) afin d'en assurer la verticalité et le centrage précis. 15 REVENDICATIONS1. Dispositif pour le forage d'une tranchée périphérique complète dans un sol dur pour permettre l'enfoncement d'un tube de grand diamètre, caractérisé en ce qu'il 5 comprend : - un châssis (b), comprenant des crémaillères supportant des guides (d) et des outils de forage (e), - des outils de forage (e) répartis régulièrement à la périphérie du châssis sur les crémaillères, ces outils de forage étant équipés de guides (d) dont 10 la longueur est adaptée à la dimension du forage requis, - un support (c) assurant le centrage du châssis et l'appui sur la tête du tube (a) apte à être ajusté en altitude pour s'adapter aux spécificités du tube monopile (a) avant l'opération de forage. 15 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les crémaillères comportent un pas (I) en rapport direct avec le diamètre de marteaux de forage (e3), les marteaux de forage étant compris dans les outils de forage (e). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les outils de 20 forage (e) sont configurés pour se déplacer selon une séquence de déplacements alternés permettant d'obtenir des frottements symétriques sur les marteaux de forage (e3) et réduire ainsi les risques de déviations. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les crémaillères 25 sont configurées pour déplacer les outils de forage (e) d'une valeur (I) prédéterminée par le calcul afin de réalisé la tranchée étroite. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un pieu guide central (f), installé dans le sol, qui permet le centrage et la 30 verticalité du châssis (b). 3047510 10 6. Dispositif selon la revendication 5, le pieu guide central (f) est configuré pour permettre la mise en place du tube monopile (a) afin d'en assurer la verticalité et le centrage précis. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'inclinaison permettant l'inclinaison verticale du guide de forage (d). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'il comprend un réservoir attenant, permettant de récupérer les déblais de forage.10