Brevet FR3145769A1 — publié le 20240816

L’invention porte sur un micro-tunnelier (12) comportant : un module de coupe (100), un dispositif de circulation de fluide (110) pour injecter un fluide de forage (F) et aspirer les déblais de forage (D) en partie avant du module de coupe, un dispositif d’injection d’un fluide de lubrification (L) à l’extérieur du tuyau de fonçage ; L’invention se caractérise par le fait que le module de coupe (100) comporte un joint annulaire (150) situé sur la face extérieure (102a) du corps cylindrique (102), le diamètre (D3) du joint annulaire (150) étant au moins égal au diamètre (D2) de la tête de coupe (108), en sorte que le joint annulaire (150) vient en contact avec terrain pendant le forage pour réaliser une séparation fluidique entre le fluide de forage (F) et le fluide de lubrification (L). Figure pour l’abrégé : figure 3 Micro-tunnelier comportant un joint annulaire pour la séparation des fluides de forage et de lubrification La présente invention concerne le domaine de la réalisation de tunnels dans le sol, et plus précisément la réalisation de micro-tunnels. L’invention a notamment pour objet un micro-tunnelier et son utilisation. La technique de réalisation de micro-tunnels dans le sol, également appelée micro-tunnelage, se distingue de la réalisation de tunnels classiques notamment par le fait que le micro-tunnelage met en œuvre une machine de creusement, dénommée micro-tunnelier, qui est foncée dans le sol par l’intermédiaire de tuyaux de fonçage qui constitueront l’ouvrage définitif, alors que le tunnelage classique met en œuvre un tunnelier qui avance en prenant appui sur les voussoirs qui ont été préalablement posés. L’ensemble constitué du micro-tunnelier et des tuyaux de fonçage est poussé depuis le puits de départ par une station de fonçage équipée de vérins hydrauliques. Une fois qu’un tuyau de fonçage est totalement foncé dans le terrain, un tuyau de fonçage additionnel est amené au fond du puits dans la station de fonçage, entre le dernier tuyau de fonçage et les vérins hydrauliques. L’actionnement de ces derniers a donc pour effet d’exercer une poussée sur le tuyau de fonçage additionnel qui, à son tour, pousse et fait avancer l’ensemble des tuyaux de fonçage et du micro-tunnelier déjà foncés dans le sol. C’est donc la totalité du micro-tunnel, constitué de la succession des tuyaux de fonçage et du micro-tunnelier, qui avance dans le sol au fur et à mesure du creusement. Les déblais sont évacués par un dispositif de circulation de fluide de forage, ce fluide étant par exemple de l’eau ou une boue de forage. Généralement, le front de coupe est pressurisé de sorte que le fluide de forage, également appelé fluide de marinage, sert également à maintenir une pression de confinement assurant le soutènement frontal de l’excavation. Par ailleurs, au fur et à mesure de l’allongement du micro-tunnel, les efforts de friction entre les extrados des tuyaux de fonçage et le terrain vont apparaitre et croitre. Afin de limiter les efforts de frottement, un fluide de lubrification est injecté à l’extérieur des tuyaux de fonçage, dans l’espace annulaire entre l’extrados des tuyaux de fonçage et le terrain. L’invention porte ainsi sur un micro-tunnelier comportant : un module de coupe comprenant un corps cylindrique s’étendant axialement entre une partie arrière et une partie avant, et une tête de coupe située à l’avant du corps cylindrique à l’opposé de la partie arrière, la tête de coupe étant rotative par rapport au corps cylindrique autour de l’axe du corps cylindrique, un dispositif de circulation de fluide pour injecter un fluide de forage et aspirer les déblais de forage en partie avant du corps cylindrique, au moins un tuyau de fonçage situé à l’arrière du corps cylindrique ; un dispositif d’injection d’un fluide de lubrification à l’extérieur du tuyau de fonçage. Dans les micro-tunneliers classiques, il arrive que le fluide de lubrification, qui est injecté sous pression, s’écoule longitudinalement vers le module de coupe et soit ensuite aspiré par les pompes prévues pour aspirer les déblais d’excavation. Ce phénomène est amplifié en pente descendante. Cette situation présente plusieurs inconvénients. Tout d’abord, l’aspiration du fluide de lubrification a pour inconvénient d’augmenter la consommation de fluide de lubrification. Un autre inconvénient est que la présence de fluide de lubrification à l’avant de la machine a pour effet de rendre plus difficile le contrôle de la pression de confinement dans la chambre d’abattage. En outre, la pollution du fluide de forage par le fluide de lubrification oblige à réaliser un traitement du fluide de forage. Un but de l’invention est de proposer un micro-tunnelier qui permet de réduire la consommation de fluide de lubrification tout en facilitant la régulation de la pression de confinement devant le module de coupe. L’invention atteint son but par le fait que le module de coupe comporte en outre un joint annulaire situé sur la face extérieure du corps cylindrique, le diamètre du joint annulaire étant au moins égal au diamètre de la tête de coupe, en sorte que le joint annulaire vient en contact avec le terrain pendant le forage pour réaliser une séparation fluidique entre le fluide de forage et le fluide de lubrification. Le joint annulaire a donc pour effet de séparer physiquement le fluide de lubrification du fluide de forage (marinage). Le joint annulaire a pour effet de délimiter deux zones fluidiques, à savoir une zone de fluide de forage et une zone de lubrification contenant le fluide de lubrification. Le joint annulaire est dimensionné pour que, en usage, il vienne au contact de la paroi de terrain qui entoure le module de coupe. Aussi, le joint annulaire permet d’éviter le mélange indésirable du fluide de forage et du fluide de lubrification, ce qui permet de maintenir stable la pression de confinement au niveau de la tête de coupe et, par voie de conséquence, de rendre plus aisée le pilotage du micro-tunnelier. On améliore aussi l’opération de lubrification dès lors que le fluide de lubrification reste confiné dans la zone de lubrification est n’est pas aspiré par les pompes de marinage. Par ricochet, l’amélioration de la lubrification permet de réduire les efforts de poussée nécessaires et accroit avantageusement le rendement de creusement. En outre, par rapport à l’art antérieur, l’invention évite la pollution du fluide de forage par le fluide de lubrification, ce qui permet de réduire le processus de traitement du fluide de forage contenant les déblais. Le joint annulaire peut être une pièce rapportée qui est montée sur le corps cylindrique par l’opérateur avant le creusement. Il peut également être intégré au corps cylindrique au moment de la fabrication du micro-tunnelier. Avantageusement, le joint annulaire est situé en partie avant du corps cylindrique. Cela a pour effet d’augmenter la surface de lubrification autour du corps cylindrique, ce qui permet encore de réduire les forces de frottements contre le terrain et d’améliorer l’efficacité du creusement. Sans sortir du cadre de l’invention, le joint annulaire peut être constitué d’une seule ou de plusieurs pièces. De préférence, le joint annulaire est une pièce souple et/ou élastique. On comprend que le joint annulaire présente un diamètre supérieur à celui du corps cylindrique, et à tout le moins un diamètre supérieur à la portion arrière du corps cylindrique. Selon un mode de réalisation préférentiel, le joint annulaire comprend une collerette formée d’une pluralité d’ailettes. On comprend que la collerette entoure préférentiellement la partie avant du corps cylindrique. Les ailettes sont conformées pour venir en appui contre la paroi du terrain. Elles présentent une certaine élasticité afin de s’adapter à la rugosité du terrain. Les ailettes peuvent donc se déformer indépendamment des autres lors de l’avancée du micro-tunnel afin de maintenir le contact du joint annulaire contre le terrain sur sensiblement toute sa périphérie et, par voie de conséquence, assurer la séparation fluidique entre les fluides de forage et de lubrification. Avantageusement, les ailettes sont juxtaposées et se recouvrent latéralement au moins partiellement deux à deux. Le recouvrement latéral entre deux ailettes adjacentes permet d’éviter que le fluide ne s’écoule entre les deux ailettes, ce qui améliore l’étanchéité entre les deux fluides. Avantageusement, les ailettes sont mobiles élastiquement par rapport au corps cylindrique. Les ailettes sont configurées de façon à être suffisamment souple pour ne pas déstructurer le terrain en place, mais assez rigide pour pouvoir résister à la pression du fluide de lubrification. Avantageusement, au moins une des ailettes est inclinée par rapport au corps cylindrique. De préférence, au moins une des ailettes est constituée à partir d’une tôle repliée ayant une embase fixée au corps cylindrique et une plaquette formant un angle avec l’embase. Encore de préférence, l’embase comporte un trou pour recevoir un élément de fixation au corps cylindrique. De préférence, l’angle interne entre l’embase et la plaquette est supérieur à 90° avant son insertion dans le sol. On comprend que, au moment de l’insertion du corps dans le sol, la plaquette vient au contact du terrain et pivote par rapport à l’embase jusqu’à une position où l’angle interne entre l’embase et la plaquette est inférieur à 90°. La plaquette, qui tend à reprendre sa position initiale, est bloquée en rotation par le terrain. Ceci a pour effet de contraindre la plaquette contre la paroi du terrain, assurant ainsi un contact étanche entre la plaquette et le terrain. De préférence, l’angle interne est de l’ordre de 120° avant son insertion dans le sol. Avantageusement, le diamètre de la tête de coupe est supérieur au diamètre extérieur du corps cylindrique. De préférence, mais non exclusivement, le diamètre extérieur du corps cylindrique est compris entre 500 mm et 3 000 mm. On comprend donc que le fluide de lubrification s’écoule dans l’espace annulaire situé la face extérieure du corps cylindrique et le terrain qui entoure le corps cylindrique. De préférence, la tête de coupe comporte une roue de coupe qui est munie d’outils de coupe faisant saillie radialement au-delà du diamètre du corps cylindrique. Avantageusement, le diamètre extérieur du tuyau de fonçage est inférieur ou égal au diamètre du corps cylindrique. On comprend également que le fluide de lubrification s’écoule dans l’espace annulaire compris entre la face extérieure ou extrados du tuyau de fonçage et le terrain qui entoure le tuyau de fonçage. De préférence, le tuyau de fonçage comporte au moins un orifice d’injection débouchant sur sa face extérieure et coopérant avec le dispositif d’injection du fluide de lubrification. Encore de préférence, mais non exclusivement, pour faciliter encore l’avancée du micro-tunnelier dans le sol, ce dernier comporte en outre une bague de lubrification disposée axialement entre le corps cylindrique et le tuyau de fonçage. L’invention porte enfin sur l’utilisation d’un micro-tunnelier selon l’invention pour fabriquer un micro-tunnel dans un sol, ledit micro-tunnel étant constitué d’une pluralité de tuyaux de fonçage disposés les uns à la suite des autres. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La est une vue en perspective d’un exemple d’installation de micro-tunnelage, disposée dans le sol (non illustré ici) et comprenant un micro-tunnelier selon l’invention ; La est une vue de détail du module de coupe du micro-tunnelier de la ; La est une vue schématique du micro-tunnelier de la et de ses éléments constitutifs ; La est une vue de dessus d’une ailette du joint annulaire du module de coupe de la avant insertion dans le sol ; La est une vue de côté de l’ailette de la avant insertion du module de coupe dans le sol ; et La illustre plusieurs ailettes adjacentes du joint annulaire du module de coupe de la , après insertion du micro-tunnelier dans le sol. Description détaillée de l'invention Sur la , on a illustré un exemple de réalisation d’une installation de micro-tunnelage 10 comportant un puits de départ 14 pour un micro-tunnelier 12 . Dans cet exemple, le puits 14 est constitué d'une paroi circulaire 16 fabriquée dans un sol S (non illustré ici pour des raisons de lisibilité). Au fond du puits 14 se trouve une station de fonçage 16 muni de vérins de fonçage 18 qui s'étendent selon une direction de fonçage A . Dans le prolongement des vérins de fonçage 18 , une ouverture 20 traversante est ménagée dans la paroi circulaire 16 . On comprend que le micro-tunnelier 12 est engagé dans le sol, selon une direction légèrement inclinée par rapport à l’horizontale, au travers de cette ouverture 20 . Le micro-tunnelier 12 comporte un module de coupe 100 comprenant un corps cylindrique 102 ayant un diamètre D1 s'étendant axialement entre une partie arrière 104 et une partie avant 106 . Le module de coupe 100 comporte en outre une tête de coupe 108 qui est située à l'avant du corps cylindrique 102 , à l'opposé de la partie arrière 104 . Grâce à des moyens moteurs connus par ailleurs, la tête de coupe 108 est rotative par rapport au corps cylindrique 102 autour de l'axe B du corps cylindrique. La tête de coupe a un diamètre D2 de sorte que le diamètre de l’excavation réalisée dans le sol présente une forme cylindrique de diamètre D2 . La tête de coupe 108 comporte une roue de coupe 109 qui est munie d'outils de coupe 111 faisant saillie radialement au-delà du diamètre D 1 du corps cylindrique. Dans cet exemple non limitatif, le micro-tunnelier comporte en outre une bague de lubrification 170 qui est disposée entre le corps cylindrique et le premier tuyau de fonçage 120 . De façon connue par ailleurs, la tête de coupe 108 forme une chambre d’abattage. Comme schématisé en , le micro-tunnelier 12 comporte en outre un dispositif de circulation de fluide 110 comprenant des moyens pour injecter un fluide de forage F dans la chambre d’abattage et aspirer les déblais de forage D en partie avant du corps cylindrique. Dans cet exemple, le fluide de forage F est une boue de forage. De façon connue par ailleurs, le module de coupe 100 est tout d'abord descendu dans le puits 14 , il est ensuite enfoncé dans le sol grâce vérins de fonçage 18 . De manière connue, le micro-tunnelier 12 comporte en outre au moins un premier tuyau de fonçage 120 ayant un diamètre extérieur D4. Le tuyau de fonçage est placé à l'arrière du corps cylindrique 102 . Dans cet exemple, le diamètre extérieur D4 du tuyau de fonçage est légèrement inférieur au diamètre D1 du corps cylindrique. Dans cet exemple, on a illustré un premier tuyau de fonçage 120 et un deuxième tuyau de fonçage 122 disposé derrière le premier tuyau de fonçage. Une fois que le module de coupe est introduit dans le sol S par l’ouverture 20 , les vérins de fonçage 18 sont rétractés et on descend le premier tuyau de fonçage 120 de façon à le disposer entre la partie arrière du corps cylindrique 102 et les vérins de fonçage 18 . Ces derniers sont ensuite mis en action de façon à pousser le premier tuyau de fonçage 120 selon la direction A , de sorte que le premier tuyau de fonçage pousse le module de coupe 100 dans le sol. Après introduction du premier tuyau de fonçage 120 , on rétracte les vérins de fonçage 18 et on introduit le second tuyau de fonçage 122 dans le puits de façon à le positionner entre le premier tuyau de fonçage 120 et les vérins de fonçage 16 . On répète l'opération de fonçage, de sorte que le second tuyau de fonçage pousse l'ensemble constitué du module de coupe 100 et du premier tuyau de fonçage dans le sol. Ces opérations sont répétées jusqu'à obtenir la longueur désirée du micro-tunnel. A la fin de l’opération, le module de coupe est retiré et la succession des tuyaux de fonçage forme le micro-tunnel dans le sol. Pour faciliter l'insertion des tuyaux de fonçage dans le sol, il est prévu un dispositif d'injection d'un fluide de lubrification L à l'extérieur des tuyaux de fonçage 120 , 122 . L’injection du fluide de lubrification se fait sur l’extrados des tuyaux de fonçage. Le dispositif d'injection 130 du fluide de lubrification L comporte un réservoir 13 8 de fluide de lubrification L et des conduites 134 qui relient le réservoir 13 8 aux différents tuyaux de fonçage 120 , 122 , ainsi qu’au corps cylindrique. e. Les conduites 134 sont reliées à des orifices 136 situés sur la paroi périphérique des tuyaux de fonçage, et également sur la surface périphérique du corps cylindrique 102 . Ces orifices 136 sont mieux visibles sur les figures 1 et 3 . Sur le schéma de la , on a représenté uniquement des conduites alimentant le premier tuyau de fonçage. A l'aide de la , on comprend que le fluide de lubrification L est injecté dans l'espace annulaire entre les extrados des tuyaux de fonçage et le terrain, et aussi entre le corps cylindrique 102 et le terrain. On comprend notamment que le diamètre D2 de la tête de coupe 108 est supérieur au diamètre extérieur D1 du corps cylindrique, de façon à ménager un espace annulaire entre le corps cylindrique et la paroi de l'excavation. Le fluide de forage est quant à lui injecté en partie avant 106 du corps cylindrique 108 , de sorte que le fluide de forage s'écoule entre le front de coupe 11 et la tête de coupe 108 , et également dans l'espace annulaire situé entre la tête de coupe 108 et le terrain. Conformément à l'invention, le module de coupe 100 comporte en outre un joint annulaire 150 qui est situé sur la face extérieure 102 a du corps cylindrique. Le diamètre D 3 du joint annulaire 150 est au moins égal au diamètre D 2 de la tête de coupe 108 en sorte que le joint annulaire 150 vient au contact avec la paroi P du terrain excavé pendant le forage de façon à réaliser une séparation fluidique entre le fluide de forage F et le fluide de lubrification L . Grâce à l'invention, le fluide de forage F et le fluide de forage L ne se mélangent pas. Par ailleurs, le fluide de lubrification L n'est pas aspiré par le dispositif de circulation et ne vient pas perturber la pression de marinage du fluide de forage F . De plus, le fluide de lubrification L n'est pas pollué par le fluide de forage F . Comme on le constate sur les figures 1 à 3 , le joint annulaire 150 est situé en partie avant du corps cylindrique 100 . Dans cet exemple, le joint annulaire 150 comprend une collerette 152 formée d'une pluralité d'ailettes 154 . Sur les figures 4 à 6 , on a illustré les ailettes 154 selon l'invention. Dans cet exemple, chacune des ailettes 154 est constituée d'une plaque de tôle repliée ayant une embase 158 fixée au corps cylindrique 100 et une plaquette 156 formant un angle α avec l'embase. Comme illustré notamment à la , les ailettes 154 sont juxtaposées et se recouvrent latéralement partiellement deux à deux, grâce à une extension latérale 156 a des plaquettes 156 . Ce recouvrement latéral permet d’améliorer l’étanchéité du joint annulaire 150 . La collerette 152 s'étend annulairement autour du corps cylindrique 102 de façon à réaliser une étanchéité axiale entre l'espace défini entre la tête de coupe 108 et le sol d'une part et l'espace annulaire entre le corps cylindrique 102 et la paroi P du sol d'autre part. Dans cet exemple, les ailettes sont mobiles élastiquement par rapport au corps cylindrique, de façon à s'adapter aux aspérités du terrain tout en maintenant l'étanchéité lors de l'avancée du micro-tunnelier dans le sol. On constate par ailleurs que les ailettes 154 sont inclinées par rapport au corps cylindrique. Plus précisément, les ailettes sont inclinées par rapport à l'axe B du corps cylindrique 100 . Avant l'introduction du micro-tunnelier dans le sol, comme illustré en , l'angle entre l'embase 158 et la plaquette 156 est supérieur à 90°, de l’ordre de 120°. Lors de l'introduction du module de coupe dans le sol, on comprend que la plaquette 158 de chaque ailette s'engage avec le terrain, ce qui provoque son pivotement par rapport à l'embase de sorte que l'angle entre l'embase et la plaquette, après insertion du module de coupe dans le sol, est inférieur à 90°, comme cela est illustré notamment en figures 3 et 6 . En fonctionnement, l’angle entre la plaquette et l’embase est de l’ordre de 45°-60°. Les plaquettes, qui tendent à revenir dans leur position initiale, sont plaquées contre le terrain, ce qui permet de maintenir localement l’étanchéité entre la collerette et le terrain malgré les aspérités du terrain. Sans sortir du cadre de la présente invention, l’angle initial entre la plaquette pourrait être égal ou inférieur à 90° tant que la plaquette vient en appui contre le terrain. En variante, le joint annulaire pourrait aussi être constitué d’une seule pièce, ou de deux demi collerettes. Micro-tunnelier (12) comportant : un module de coupe (100) comprenant un corps cylindrique (102) s’étendant axialement entre une partie arrière (104) et une partie avant (106), et une tête de coupe (108) située à l’avant du corps cylindrique à l’opposé de la partie arrière, la tête de coupe (108) étant rotative par rapport au corps cylindrique (102) autour de l’axe (B) du corps cylindrique, un dispositif de circulation de fluide (110) pour injecter un fluide de forage (F) et aspirer les déblais de forage (D) en partie avant du corps cylindrique, au moins un tuyau de fonçage (120) situé à l’arrière du corps cylindrique ; un dispositif d’injection (130) d’un fluide de lubrification (L) à l’extérieur du tuyau de fonçage ; caractérisé en ce que le module de coupe (100) comporte en outre un joint annulaire (150) situé sur la face extérieure (102a) du corps cylindrique (102), le diamètre (D3) du joint annulaire (150) étant au moins égal au diamètre (D2) de la tête de coupe (108), en sorte que le joint annulaire (150) vient en contact avec terrain (P) pendant le forage pour réaliser une séparation fluidique entre le fluide de forage (F) et le fluide de lubrification (L). Micro-tunnelier selon la revendication 1, dans lequel le joint annulaire (150) est situé en partie avant du corps cylindrique (100). Micro-tunnelier selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le joint annulaire (150) comprend une collerette (152) formée d’une pluralité d’ailettes (154). Micro-tunnelier selon la revendication 3, dans lequel les ailettes (150) sont juxtaposées et se recouvrent latéralement au moins partiellement deux à deux. Micro-tunnelier selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les ailettes (154) sont mobiles élastiquement par rapport au corps cylindrique. Micro-tunnelier selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans laquelle au moins une des ailettes (154) est inclinée par rapport au corps cylindrique. Micro-tunnelier selon la revendication 6, dans laquelle au moins une des ailettes est constituée à partir d’une tôle repliée ayant une embase (156) fixée au corps cylindrique (100) et une plaquette (158) formant un angle (α) avec l’embase. Micro-tunnelier selon la revendication 7, dans laquelle, l’angle (α) entre l’embase (156) et la plaquette (158) est supérieur à 90° avant son insertion dans le sol. Micro-tunnelier selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre (D2) de la tête de coupe (108) est supérieur au diamètre extérieur (D1) du corps cylindrique. Micro-tunnelier selon la revendication 9, dans lequel la tête de coupe (108) comporte une roue de coupe (109) qui est munie d’outils de coupe (111) faisant saillie radialement au-delà du diamètre (D1) du corps cylindrique. Micro-tunnelier selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre extérieur (D4) du tuyau de fonçage est inférieur ou égal au diamètre (D1) du corps cylindrique. Micro-tunnelier selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tuyau de fonçage comporte au moins un orifice d’injection (136) débouchant sur sa face extérieure et coopérant avec le dispositif d’injection du fluide de lubrification. Micro-tunnelier selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une bague de lubrification (170) disposée axialement entre le corps cylindrique (100) et le tuyau de fonçage (120). Utilisation d’un micro-tunnelier (12) selon l’une quelconque des revendications précédentes pour fabriquer un micro-tunnel dans un sol (S), ledit micro-tunnel étant constitué d’une pluralité de tuyaux de fonçage (120,122) disposés les uns à la suite des autres.