Brevet FR3074214A1 — publié le 20190531

La présente invention concerne la construction de tunnels et autres infrastructures souterraines. Aujourd'hui, un grand nombre de tunnels sont creusés à l'aide de tunneliers qui sont des machines spécialisées permettant d'assurer à la fois l'excavation et la pose des voussoirs. Le passage du tunnelier a généralement un impact sur le sous-sol et peut se traduire en surface par un tassement de terrain qu'il convient de minimiser. Il est ainsi courant d'équiper la surface de détecteurs qui permettent de détecter tout soulèvement ou affaissement lié au creusement du tunnel. Des sondages sont effectués pour connaître la géologie du sous-sol et un modèle théorique permet d'estimer l'impact d'un creusement sur la surface. Toutefois, il demeure encore aujourd'hui une imprécision sur l'impact qu'aura un creusement et il est relativement fréquent que la pression exercée par le tunnelier sur le front de taille soit modifiée en fonction de l'impact réellement observé en surface. Dans la pratique, cet ajustement est difficile à faire rapidement car cela mobilise de nombreuses personnes qui ont à faire face à un volume important de données relatives au fonctionnement du tunnelier, aux capteurs posés en surface, à la géologie du terrain traversé et à la nature des bâtiments pouvant exister en surface. Il existe donc un besoin pour faciliter les prises de décision dans les ajustements à faire sur le fonctionnement du tunnelier ou autres machines utilisées dans les travaux souterrains, et le cas échéant gagner en précision dans la prédiction de l'impact sur le sous-sol du creusement d'un tunnel. L'invention vise à répondre à ce besoin, et elle y parvient grâce à un procédé de construction d'une maquette numérique relative à un chantier de construction d'un ouvrage souterrain, notamment d'un tunnel à l'aide d'un tunnelier, comportant l'étape consistant à agréger au sein de la maquette numérique, au fur et à mesure de l'avancement du chantier, des données relatives à la localisation et aux paramètres de fonctionnement du tunnelier et/ou autres machines de travaux souterrains, telles que par exemple des machines excavatrices ou des machines de projection de béton en fonction du temps, et des données relatives à l'environnement de l'ouvrage souterrain, l'agrégation de ces données s'effectuant de façon à permettre leur visualisation à un instant donné. 2 De préférence, parmi les données agrégées figurent notamment des données relatives à la pose des voussoirs en fonction du temps. De préférence, parmi les données agrégées relatives à l'environnement de l'ouvrage souterrain figurent notamment des données relatives au tassement du sol en 5 fonction du temps. Par « maquette numérique » il faut comprendre un modèle numérique 3D, c'est-à-dire un objet virtuel qui regroupe les informations que l'on cherche à pouvoir visualiser, notamment en 3D, avec restitution des perspectives à l'écran, voire en vision stéréoscopique ou en réalité augmentée. 10 Par « données relatives au fonctionnement du tunnelier » on englobe des données relatives aux efforts exercés par le tunnelier ou au sein du tunnelier, notamment des efforts de creusement, les pressions dans la chambre de confinement, le volume de terrain excavé, ainsi que de préférence des données relatives aux débits et pressions d'injections de mousse et/ou de mortier, les élongations et pressions de différents vérins. 15 Ces données permettent de connaître de façon précise dans le temps les poussées statiques et hydrostatiques exercées par le terrain. Grâce à l'invention, les opérateurs du chantier disposent d'un outil qui permet de visualiser en temps réel ou en temps légèrement différé, typiquement avec une mise à jour toutes les 3h ou moins, par exemple lh ou moins, l'avancée du chantier et son impact 20 sur la surface. Le fait de pouvoir facilement visualiser en 3D la trajectoire suivie par le tunnelier et le tassement mesuré en surface permet de faciliter les prises de décision et d'ajuster plus facilement les paramètres de fonctionnement du tunnelier lorsqu'un tel ajustement est nécessaire. 25 Le risque d'erreur dans la conduite du chantier est réduit. Le pilote du tunnelier peut appréhender plus facilement la visualisation du creusement. De préférence, des données concernant les bâtiments existant en surface au-dessus du chantier sont également agrégées. Ces données comportent par exemple la topographie de ces bâtiments, afin de les reproduire à l'écran et augmenter le réalisme de la 30 visualisation. Cela peut également permettre de représenter la localisation des détecteurs utilisés pour détecter les mouvements de la surface. L'agrégation de ces données s'effectue de préférence de façon automatique ; par exemple, on importe des données géolocalisées 3 issues d'un scan terrestre et/ou aérien de la surface. L'importation s'effectue de préférence au cours de la construction de la maquette numérique. L'instant donné précité peut être un instant passé. Autrement dit, la maquette numérique est réalisée de telle sorte qu'il soit possible de visualiser les données à tout 5 moment passé entre le début du chantier et l'instant présent. Il est possible par exemple de générer une animation 3D faisant apparaître l'évolution au cours du temps de certaines informations sélectionnées, par exemple l'avancement du creusement et le tassement éventuel observé. L'instant donné précité peut encore être un moment futur, auquel cas la 10 maquette numérique comporte un moteur de simulation qui permet de prédire le positionnement du tunnelier à un instant futur, ainsi que les diverses opérations qui accompagnent l'avancée du chantier, telles que le calepinage des voussoirs par exemple. Une telle simulation peut être utile à plusieurs titres. Tout d'abord, elle peut faciliter la transmission d'information aux équipes 15 présentes dans le tunnel, en leur présentant une animation de ce qui est censé se dérouler sur le chantier, et peut les aider à planifier certaines tâches. La simulation peut aussi faciliter la comparaison entre les prévisions et la réalité et la compréhension de l'impact de certaines décisions sur le chantier en cours. Par exemple, on peut visualiser la différence entre une cuvette de tassement prédite par la 20 théorie et celle observée dans la réalité. La simulation peut encore aider les personnes qui posent les détecteurs en surface à planifier l'installation des détecteurs, en leur permettant de visualiser en 3D les bâtiments existants situés au-dessus des zones prochainement traversées par le tunnelier. De préférence, la simulation s'effectue en tenant compte de données mesurées 25 sur le chantier en cours depuis le début de celui-ci, comme par exemple la vitesse d'avancée du tunnelier, et les cadences des différentes étapes d'un cycle. De préférence, la maquette est construite de façon à pouvoir visualiser l'état du chantier à un instant passé, présent ou futur, à l'aide d'une interface graphique comportant un curseur temporel que l'utilisateur peut déplacer pour sélectionner l'époque à visualiser. 30 De nombreuses données annexes peuvent être agrégées dans la maquette numérique selon l'invention, telles que par exemple : 4 Des données relatives à la circulation des matériels et personnes sur le chantier, de préférence en temps réel ; par exemple, les matériels et personnes sont équipés de puces de géolocalisation qui permettent de détecter leur présence dans des zones prédéfinies. La sécurité du chantier s'en trouve améliorée. 5 Des données relatives à la géologie du sous-sol ; ces données peuvent être issues de carottages effectués avant le commencement du chantier mais également de prélèvements effectués au cours de l'avancement du chantier. De préférence, on génère des données additionnelles par interpolation des données existantes, le résultat étant un bloc modèle géologique 3D, afin de permettre un affichage le plus dense possible de la géologie 10 du sous-sol et compenser l'impossibilité pratique d'effectuer un grand nombre de carottages. Les données concernant la géologie du sous-sol peuvent également provenir d'une analyse des déblais rejetés par le tunnelier. Cette analyse peut être manuelle ou automatisée. Des données relatives aux déformations du tunnel après la pose des voussoirs ; 15 de préférence, on procède à des scans répétés et automatisés de la portion de tunnel construite afin de détecter des mouvements de la surface du tunnel dans le temps. On peut disposer pour ce faire des repères à des emplacements prédéfinis le long du tunnel, parfaitement géolocalisés, détectables lors du scan. Des données relatives au calepinage des voussoirs, clous, tubes ou autres 20 éléments de soutènement posés au cours de la construction du tunnel. Cela peut permettre de repérer ensuite plus facilement un élément présentant un défaut, car il est localisé et identifié dans la maquette numérique. Par exemple, on peut utiliser un terminal portable pour permettre à un opérateur qui en est équipé et se déplaçant dans le tunnel d'identifier plus facilement un voussoir défectueux, par exemple présentant une fissure, pour le 25 réparer. Dans ce cas, le terminal portable exécute un logiciel qui permet l'affichage d'une information utile pour repérer le voussoir, à partir de la maquette numérique et de l'orientation du terminal par rapport au voussoir en question. Le calepinage peut également être simulé, lorsque l'on cherche à visualiser l'état futur du chantier. Cela peut aider à la transmission d'informations aux équipes et à la planification des tâches, comme mentionné 30 plus haut. 5 Des données relatives au niveau d'eau dans le terrain, de préférence en temps réel ; on peut utiliser pour ce faire des capteurs spécifiques, mis en place au cours du chantier. La maquette numérique peut également recevoir des données sur au moins un 5 système équipant le tunnel, ces données étant générées par au moins un équipement assurant la pose de ce système. Cela peut permettre la représentation automatisée du système lors de la visualisation du chantier à l'aide de la maquette numérique. L'invention a encore pour objet un procédé de construction d'un ouvrage souterrain, notamment d'un tunnel à l'aide d'un tunnelier, dans lequel on construit une 10 maquette numérique du chantier par la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus, et l'on utilise cette maquette pour afficher une représentation 3D du chantier, faisant apparaître au moins le positionnement du tunnelier et/ou autres machines de travaux souterrains utilisées et/ou le tracé du tunnel. De préférence, on fait apparaître également le tassement du sol observé en 15 surface. On peut agir sur un réglage du tunnelier ou des autres machines de travaux souterrains utilisées au moins à partir de données agrégées par la maquette numérique. On peut également effectuer la pose de détecteurs en surface après avoir affiché les zones situées au-dessus du tracé du tunnel. 20 L'invention a encore pour objet un système pour la mise en oeuvre du procédé de construction de maquette numérique selon l'invention, telle que définie ci-dessus, comportant un moteur d'agrégation qui interroge au moins une base dans laquelle sont enregistrées des données issues de capteurs de surface, renseignant sur la déformation du sol, et au moins une base dans laquelle sont enregistrées des données provenant du 25 tunnelier. Il peut s'agir de bases de données présentes sur des serveurs distincts ou de bases regroupées sur un même serveur. L'invention a encore pour objet la maquette numérique en tant que telle, qui peut être livrée sous la forme de données enregistrées sur un support physique ou téléchargées depuis un serveur. 30 Une telle maquette peut faciliter la maintenance ultérieure du tunnel, et le suivi des déformations éventuelles, par comparaison avec des mesures effectuées au cours de la vie du tunnel. 6 L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - La figure 1 représente de façon schématique et partielle un exemple de 5 système pour la construction d'une maquette numérique d'un chantier de construction d'un tunnel selon l'invention, et - La figure 2 est un exemple de vue 3D réalisée à partir de la maquette numérique selon l'invention. On a représenté à la figure 1 différentes sources de données servant à la 10 réalisation d'une maquette numérique 10 selon l'invention. L'agrégation des données nécessaires à la constitution de la maquette numérique 10 peut se faire à l'aide d'un moteur d'agrégation qui se connecte à intervalles prédéfinis à différentes bases de données et qui importe des données sélectionnées dans ces bases. 15 L'une de ces bases, référencée 11 sur la figure 1, est relative au fonctionnement du tunnelier. Elle agrège toutes les données issues de l'instrumentation, à l'aide de différents capteurs, du tunnelier. Comme indiqué précédemment, ces données relatives au fonctionnement du tunnelier peuvent comporter des données relatives aux efforts exercés par le tunnelier ou 20 au sein du tunnelier, notamment des efforts de creusement, des élongations de vérins, ainsi que des données relatives aux pressions et débits d'injection, de mousse ou de coulis de ciment. Il est préférable que la mise à jour de la maquette à partir de la base 11 soit la plus fréquente possible, avec par exemple une mise à jour toutes les dix minutes ou moins, 25 mieux toutes les dix secondes. Comme autres données dynamiques servant à la réalisation de la maquette numérique, il y a les données relatives à l'auscultation du sol et/ou du sous-sol, et en particulier les données provenant des détecteurs renseignant sur les mouvements du sol en surface. 30 Il s'agit par exemple de données issues de capteurs laser, ces capteurs étant connus en eux-mêmes, ces données étant enregistrées dans une base 12. 7 De préférence, la mise à jour de la maquette 10 à partir de la base 12 s'effectue toutes les heures ou moins. Il est également utile, pour les raisons précisées plus haut, d'enregistrer dans une base 13 les données de position des personnels présents sur le chantier ainsi que celles 5 des matériels roulants, grâce à des moyens de géolocalisation et d'identification, tels que puces RFID. Ces données sont rapatriées de préférence en temps réel de façon à disposer de l'information en cas d'incident. La visualisation en 3D du chantier, notamment avec les stations et les bâtiments de surface, peut faciliter l'intervention des secours. 10 Le moteur d'agrégation récupère également des données enregistrées dans une base 14, relatives à la topographie du tunnel construit. Il s'agit par exemple de données résultant d'un scan automatisé du tunnel par au moins un véhicule circulant à l'intérieur, ce scan permettant par comparaison des mesures effectuées à divers instants de détecter des mouvements éventuels des voussoirs consécutifs à leur pose. La connaissance de 15 l'historique des déformations peut faciliter la recherche de la cause d'un défaut ou incident observé ultérieurement. Par ailleurs, la maquette numérique 10 intègre un certain nombre de données statiques, qui sont injectées dans la maquette, de préférence avant le début du chantier. Il peut s'agir de données provenant d'une base 15 contenant les données 20 relatives aux stations connectées au tunnel, ces données étant de préférence des maquettes numériques, telles que des maquettes BIM. On injecte également des données provenant d'une base 16 de données géologiques du sous-sol. Ces données peuvent résulter de sondages effectués dans le sous-sol ou de toute autre source. Pour assurer le pavage d'une texture complète sur la coupe 25 longitudinale le long du tracé avec les données géologiques, et pour avoir une information géologique sur la coupe transversale à l'axe du tunnel en tout point du tracé, on peut générer des données additionnelles par interpolation des données existantes. Enfin, les données statiques qui alimentent la maquette numérique 10 comportent également des données relatives au tracé du tunnel, répertoriées dans une base 30 17. 8 Le cas échéant, on procède à une réactualisation des données statiques au cours du chantier, par exemple en cas de modification des maquettes numériques des stations, ou de mise à jour du modèle géologique. Dans l'exemple illustré à la figure 1 on a supposé que les données dynamiques 5 et statiques étaient téléchargées à partir de bases de données respectives 11 à 17; bien entendu, l'invention englobe également le cas où le chargement des données dans la maquette numérique s'effectue autrement et par exemple à partir d'un nombre plus limité de bases, voire directement à partir des détecteurs et matériels utilisés dans le cadre du chantier. 10 On peut également avoir une partie des données qui est téléchargée par la maquette sur requête de celle-ci, et une autre partie des données qui est poussée dans la maquette par des détecteurs ou équipements sur requête de ceux-ci. On va maintenant décrire à la figure 2 un exemple d'affichage de données provenant de la maquette numérique selon l'invention. 15 La maquette numérique peut comporter une interface graphique agencée pour permettre à l'utilisateur de visualiser les informations de son choix, relatives au chantier. L'interface fait par exemple apparaître comme illustré un certain nombre de boutons qui permettent de commander l'affichage, notamment en 3D, de données correspondantes, par exemple un bouton « vue tunnelier » qui permet de voir en 3D le 20 tunnelier et notamment son état actif ou non, un bouton « vue d'ensemble » qui permet de visualiser en 3D à la fois le tunnelier, le tunnel construit, le sous-sol et les bâtiments en surface, un bouton « vue de dessus » qui provoque l'affichage d'une vue aérienne, avec le tracé du tunnel en superposition, un bouton « vue voussoirs » qui permet de voir en 3D le calepinage des voussoirs, un bouton « travelling » qui permet de parcourir de façon 25 prédéfinie et automatique le chantier, un bouton « terrain » qui permet de visualiser l'un ou l'autre côté du terrain (et les informations qu'il comporte) séparé par le tracé, un bouton « litho » qui permet de visualiser différentes données géologiques (lithologie ou profil d'altération de la roche), un bouton « bâti » qui permet d'afficher en 3D les bâtiments en surface, un bouton « anneaux » qui permet d'afficher la disposition des voussoirs tels que 30 posés et un bouton « tassements » qui permet de visualiser en 2D les tassements sur le terrain. 9 L'interface graphique peut également faire apparaître un curseur 30 qui permet de sélectionner un moment passé ou futur, et de visualiser le chantier à ce moment sélectionné. Lorsque le moment de visualisation sélectionné est un moment futur, la 5 maquette fait appel à un moteur de simulation qui permet de générer les vues correspondantes, sur la base des informations de tracé du tunnel et d'informations relatives à la vitesse d'avancement du chantier. Ces données relatives à la vitesse d'avancement du chantier peuvent être réactualisées en fonction du déroulement passé du chantier et peuvent tenir compte par exemple de paramètres dont dépend la vitesse d'avancement du tunnelier, 10 tels que par exemple la nature du sous-sol traversé. Sur la figure 2, on a représenté le tassement en surface du sol sous la forme de zones colorées 32 dont la couleur indique l'amplitude du tassement. On a également fait apparaître sur cette figure la nature géologique du sous-sol à l'aide d'un code de couleurs, rappelé dans une légende 33. 15 Le tracé futur du tunnel peut être matérialisé par une ligne L. L'affichage peut faire apparaître comme illustré l'emplacement du tunnelier en 3D, et la section déjà construite, avec les voussoirs correspondants. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à un type particulier de représentation graphique des données de la maquette numérique, et de nombreuses 20 variantes sont possibles. Lors du chantier, les détecteurs de surface fournissent une information relative au tassement du sol, qui peut être affichée en temps réel ou légèrement différé. Le tunnelier fournit des données qui permettent de connaître sa position et certains paramètres du sous-sol traversé. 25 En cas de soulèvement ou de tassement du sol sortant des attentes, on peut rapidement agir grâce à l'invention sur le pilotage du tunnelier pour corriger par exemple la pression exercée par le tunnelier sur le front de taille. Les décisions peuvent être prises rapidement car les opérateurs peuvent disposer grâce à la maquette numérique d'une bonne vision d'ensemble du chantier et des 30 zones rencontrant un problème. De même, il est plus facile grâce à l'invention d'effectuer des choix de pilotage du tunnelier en fonction des zones qui vont être traversées, car l'on peut appréhender plus facilement la réaction passée du sous-sol au creusement du tunnel. 10 Lorsque la maquette numérique est mise à jour de façon suffisamment rapide, on peut calculer à partir d'une modélisation du comportement du sous-sol et des données agrégées dans la maquette, des consignes de fonctionnement du tunnelier, REVENDICATIONS1. Procédé de construction d'une maquette numérique (10) relative à un chantier de construction d'un ouvrage souterrain, notamment d'un tunnel à l'aide d'un tunnelier, comportant l'étape consistant à agréger au sein de la maquette numérique, au fur et à mesure de l'avancement du chantier, des données relatives à la localisation et aux paramètres de fonctionnement du tunnelier et/ou autres machines de travaux souterrains en fonction du temps et des données relatives à l'environnement de l'ouvrage souterrain, l'agrégation de ces données s'effectuant de façon à permettre leur visualisation à un instant donné, les données étant enregistrées sur un support physique ou téléchargées depuis un serveur. 2. Procédé selon la revendication 1, les données relatives à l'environnement de l'ouvrage souterrain comportant des données relatives au tassement du sol en fonction du temps. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on agrège dans la maquette numérique des données relatives au calepinage des voussoirs, clous, tubes ou autres éléments de soutènement posés au cours de la construction du tunnel. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, des données concernant les bâtiments existant en surface, notamment leur topographie, au-dessus du chantier étant également agrégées. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, des données relatives à la circulation des matériels et personnes sur le chantier étant également agrégées, de préférence en temps réel. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, des données relatives à la géologie du sous-sol étant également agrégées, ces données étant issues de carottages précédant le commencement du chantier et/ou de prélèvements effectués au cours de l'avancement du chantier et/ou d'une analyse automatique des déblais rejetés par le tunnelier. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on génère des données additionnelles de géologie du sous-sol par interpolation des données existantes. 12 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on agrège dans la maquette numérique des données relatives aux déformations du tunnel après la pose des voussoirs. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on procède à des scans 5 répétés et automatisés de la portion de tunnel construite. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on agrège dans la maquette numérique des données relatives au niveau d'eau dans le terrain, de préférence en temps réel. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, les 10 données agrégées dans la maquette numérique relatives au fonctionnement du tunnelier comportant les efforts de creusement, les pressions dans la chambre de confinement, le volume de terrain excavé, ainsi que de préférence des données relatives aux débits et pressions d'injection de mousse ou de mortier, les élongations et pressions de différents vérins. 15 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, les données étant mises à jour toutes les 3h ou moins. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'instant donné étant un instant passé. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'instant 20 donné étant un instant futur, la maquette numérique comportant un moteur de simulation qui permet de prédire le positionnement du tunnelier à un instant donné, ainsi que diverses opérations qui accompagnent l'avancée du chantier, notamment le calepinage des voussoirs.