FR 3060827 A1 20180622 FR 1662895 A 20161220 1 SYSTEME ET PROCEDE DE SIMULATION DU CREUSEMENT D'UN TERRAIN PAR UN TUNNELIER DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un système et un procédé de simulation du creusement d'un terrain par un tunnelier, destiné notamment à la formation des pilotes de tunnelier. ETAT DE LA TECHNIQUE La formation d'un pilote de tunnelier est effectuée directement sur son poste de travail, c'est-à-dire un tunnelier réel, par constitution d'un binôme avec un pilote chevronné qui transmet son expérience à l'élève par voie orale. L'élève prend en charge progressivement la surveillance des paramètres de creusement sous le contrôle du pilote instructeur. Or, dans le cadre d'un projet nécessitant de mobiliser rapidement du personnel qualifié, ce mode d'apprentissage n'est pas satisfaisant. En effet, l'apprentissage de base peut durer plusieurs mois selon la complexité du tunnelier et du projet de creusement, tandis que les pilotes mettent des années à acquérir une expertise et des réflexes leur permettant de réagir rapidement et de manière adaptée aux anomalies auxquelles ils sont confrontés. Par ailleurs, la formation des élèves mobilise du temps d'un pilote chevronné notamment au démarrage du projet, qui est une période réclamant déjà toute l'attention de celui-ci. On cherche donc à compléter le mode d'enseignement déjà connu par un système de simulation permettant de restituer virtuellement les conditions d'une séquence de creusement et l'environnement de la cabine de pilotage. Le document [1] expose une simulation du fonctionnement d'un tunnelier en vue de déterminer des goulots d'étranglement dans le procédé de creusement d'un tunnel, c'est-à-dire les étapes du procédé susceptibles de pénaliser la cadence de creusement. Ce simulateur n'a aucune vocation pédagogique et ne procure donc aucune restitution des paramètres de creusement à destination d'un utilisateur. Le document [2] décrit un système de simulation du pilotage d'un microtunnelier, qui est une machine de petit diamètre (typiquement inférieur à 3 m) et téléopérée (n'accueillant pas de pilote). Une telle machine ne présente pas le même mode de creusement qu'un tunnelier. Par ailleurs, ce simulateur est basé sur une hypothèse d'un terrain parfaitement homogène. Le simulateur développé dans le contexte du document [2] n'est donc pas en mesure de 3060827 2 rendre compte de la complexité du fonctionnement d'un tunnelier et de ses interactions avec le terrain. EXPOSE DE L'INVENTION 5 Un but de l'invention est donc de concevoir un système permettant de reproduire de manière aussi réaliste que possible du creusement d'un terrain, afin de mettre l'élève pilote dans des situations d'apprentissage les plus proches possibles de celles qu'il serait susceptibles de rencontrer lors du pilotage d'un tunnelier réel. Ledit système doit permettre de confronter l'élève pilote à une grande diversité de situations. Ledit système doit en outre 10 s'adapter à différents types de tunneliers. A cet effet, l'invention concerne un système de simulation du creusement d'un terrain par un tunnelier à pression de confinement comprenant un bouclier, une tête de coupe et une chambre d'abattage étanche situées dans une partie avant du bouclier, des vérins de poussée situés dans une partie arrière du bouclier et destinés à exercer un effort de poussée 15 de la tête de coupe vers l'avant, et un système d'extraction de déblais de la chambre d'abattage, ledit système comprenant : - une interface utilisateur comprenant : - au moins un écran configuré pour afficher en temps réel des paramètres de creusement et 20 - au moins un pupitre de commande adapté pour permettre à un utilisateur de générer des consignes de creusement, - un dispositif de saisie adapté pour permettre à un utilisateur de saisir et/ou modifier des données d'entrée du système, - un processeur couplé à l'interface utilisateur et configuré pour : 25 - charger un type de tunnelier, - charger un scénario définissant au moins l'un des paramètres suivants : - une trajectoire théorique du tunnelier, - la nature du terrain le long de ladite trajectoire théorique, - un écart de fonctionnement du tunnelier. 30 - charger un modèle de comportement préalablement enregistré, ledit modèle de comportement décrivant des interactions entre des paramètres physiques du tunnelier et du terrain creusé, - recevoir en temps réel des consignes de creusement générées par un utilisateur par l'intermédiaire du pupitre de commande, 3060827 3 - calculer en temps réel des paramètres au fur et à mesure de l'avancement du creusement en fonction des paramètres du scénario, du modèle de comportement et des consignes générées par l'utilisateur, - générer en temps réel l'affichage desdits paramètres calculés sur l'écran de 5 l'interface utilisateur. Selon un mode de réalisation, le processeur est configuré pour calculer en temps réel : - un flux de matière entrant dans la chambre d'abattage du tunnelier, - un flux de matière sortant de la chambre d'abattage, - une pression dans la chambre d'abattage, 10 - une résultante des forces s'exerçant sur le tunnelier, - des efforts exercés sur les vérins de poussée, - une fluidité du marin. De manière avantageuse, le dispositif de saisie de l'interface utilisateur est adapté pour permettre à un utilisateur de : 15 - modifier le modèle de comportement, et/ou - sélectionner et/ou modifier un scénario. Selon un mode de réalisationje processeur est couplé à une mémoire dans laquelle sont enregistrés au moins deux profils d'utilisateurs différents, un premier profil d'utilisateur possédant des droits pour modifier le modèle de comportement, sélectionner et/ou modifier 20 un scénario et générer des consignes de creusement, et un second profil d'utilisateur possédant des droits pour uniquement générer des consignes de creusement, et le dispositif de saisie de l'interface utilisateur est configuré pour permettre à un utilisateur de s'identifier selon le premier ou le second profil. Selon un mode de réalisation, le dispositif de saisie de l'interface utilisateur est adapté 25 pour permettre à un premier utilisateur d'enregistrer des paramètres d'entrée et/ou des instructions de creusement à respecter par un second utilisateur, lesdits paramètres d'entrée et instructions comprenant : - des paramètres du tunnelier, - des scénarios de creusement, 30 - des consignes de creusement, - des seuils d'alerte en cas de dépassement des consignes, le processeur étant configuré pour prendre en compte lesdites consignes de creusement dans le calcul des paramètres. 3060827 4 De manière avantageuse, le processeur est configuré pour émettre une alerte si le second utilisateur ne respecte pas les instructions de creusement préalablement enregistrées. Selon une forme d'exécution, l'écart de fonctionnement du tunnelier inclus dans le 5 scénario comprend au moins l'une des situations suivantes : - une panne et/ou une usure anormale des outils de coupe ; - un changement de composition du marin ; - un colmatage de la chambre d'abattage ; - un changement de nature de terrain ; 10 - une discontinuité géologique locale ; - une anomalie du système d'extraction des déblais ; - une surexcavation du terrain. Le type de tunnelier peut être choisi parmi au moins un tunnelier à pression de terre et un tunnelier à pression de boue, le modèle de comportement chargé par le processeur 15 dépendant du type de tunnelier sélectionné. Selon un mode de réalisation, le pupitre de commande est adapté pour permettre à un utilisateur de générer des consignes relatives à l'abattage, au marinage, à la mise en oeuvre de mortier de bourrage et/ou au guidage du tunnelier. Selon une forme d'exécution préférée, le processeur est configuré pour, à l'issue d'une 20 séance de simulation de creusement, éditer un rapport restituant les consignes effectuées par l'utilisateur lors de ladite séance et l'effet desdites consignes sur les paramètres calculés. De manière particulièrement avantageuse, le processeur est configuré pour comparer les données du rapport avec un rapport de référence, et pour éditer le rapport avec ladite comparaison. 25 Selon une forme d'exécution préférée, l'écran de l'interface utilisateur est configuré pour afficher un historique et une valeur instantanée de chaque paramètre calculé. Un autre objet de l'invention concerne un procédé de simulation du creusement d'un terrain au moyen d'un système tel que décrit ci-dessus, dans lequel : - un premier utilisateur, dit instructeur, sélectionne un type de tunnelier et un scénario, 30 - un second utilisateur, dit élève, charge le type de tunnelier et le scénario sélectionnés par l'instructeur, et génère des consignes de creusement, - les paramètres calculés sont affichés en temps réel sur au moins un écran de l'interface utilisateur. Selon une forme d'exécution préférée, pour chaque paramètre calculé, on affiche un historique et une valeur instantanée. 3060827 5 De manière particulièrement avantageuse, le procédé comprend en outre, à la fin de la séance de simulation, l'édition d'un rapport restituant les consignes effectuées par l'utilisateur lors de ladite séance et l'effet desdites consignes sur les paramètres calculés. 5 DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue ensemble en coupe partielle d'un bouclier de tunnelier, - la figure 2 illustre de manière schématique une forme d'exécution de l'interface 10 utilisateur, - la figure 3 illustre de manière schématique les flux de matière dans un tunnelier à pression de terre, - la figure 4 illustre de manière schématique les flux de matière dans un tunnelier à pression de boue. 15 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 est une vue d'ensemble en coupe partielle d'un bouclier de tunnelier à pression de confinement pour lequel l'invention est susceptible d'être mise en oeuvre, étant précisé que l'invention n'est pas limitée en termes de type de tunnelier (tunnelier à pression 20 de terre (EPB, acronyme du terme anglo-saxon « Earth Pressure Balance »), à pression de boue (« slurry », terme anglo-saxon désignant les boues de marinage), etc.). De manière connue en elle-même, le tunnelier T comprend, dans sa partie avant, une tête de coupe T1 rotative et pourvue d'outils de coupe, destinée à l'abattage du terrain. La tête de coupe T1 est fixée à l'avant d'un bouclier T2 qui assure la protection et 25 l'étanchéité du travail d'excavation. A l'arrière de la tête de coupe T1 se trouve une chambre d'abattage étanche T3 dans laquelle sont transférés les déblais provenant du front de coupe. Ces déblais sont évacués de la chambre d'abattage par un système d'extraction. Dans le cas d'un tunnelier à pression de terre, les déblais peuvent être extraits de la 30 chambre d'abattage au moyen d'une vis d'extraction T4, en sortie de laquelle ils sont déposés sur un convoyeur afin d'être évacués. Selon le type de tunnelier, les moyens d'extraction peuvent varier et ne sont pas limités à la vis représentée. Ainsi, dans le cas d'un tunnelier à pression de boue, le système d'extraction des déblais comprend un circuit de marinage. 3060827 6 Dans sa partie arrière, le bouclier T2 présente une jupe T5 sous laquelle sont mis en place les anneaux de voussoirs V formant le revêtement du tunnel. Le tunnelier T est pourvu de vérins de poussée T6 qui s'appuient sur la face avant F du dernier anneau A de voussoirs posé, lesdits vérins T6 étant destinés à exercer sur la tête de 5 coupe T1 un effort de poussée vers l'avant pendant la phase d'abattage. Pour mettre en place les voussoirs V, un érecteur à voussoirs T7 est agencé dans le bouclier, à l'abri de la jupe T5. Un train suiveur (non représenté) est agencé à l'arrière du bouclier et supporte les cabines de pilotage, l'érecteur, le câblage concernant l'alimentation en énergie, la ventilation, 10 etc. Ledit train suiveur (ou « backup » selon la terminologie anglo-saxonne) roule ainsi sur les anneaux déjà posés.. La simulation du fonctionnement d'un tel tunnelier est effectuée par un système comprenant un ordinateur, à l'aide de modèles numériques du tunnelier et du terrain, et d'un scénario définissant différentes instructions de creusement et/ou différentes situations 15 rencontrées lors du creusement. Les données d'entrée de la simulation sont : - un type de tunnelier à pression de confinement, - un scénario de creusement définissant au moins l'un des paramètres suivants : - une trajectoire théorique du tunnelier, 20 - la nature du terrain le long de ladite trajectoire théorique, - un ou des écart(s) de fonctionnement du tunnelier, - un modèle de comportement décrivant des interactions entre des paramètres physiques du tunnelier et du terrain creusé, - des consignes générées par un utilisateur du système. 25 Les paramètres du tunnelier comprennent notamment, de manière non exhaustive : - en ce qui concerne la machine : l'espace annulaire, la longueur d'anneau, l'élongation maximale des vérins ; - en ce qui concerne la tête de coupe : le diamètre de la tête de coupe, le diamètre d'une molette (simple ou double) ; 30 - en ce qui concerne la chambre d'abattage : le volume de la chambre, le volume limite de remplissage, la température du marin, le diamètre de la vanne de purge, la hauteur de la vanne de purge à partir de la base de la chambre ; - en ce qui concerne le système d'injection de mousse, le système d'injection de polymère et le système d'injection de mortier : le volume du réservoir correspondant ; 3060827 7 - en ce qui concerne la vis d'extraction : la longueur, le diamètre, le pas, le pourcentage de réduction de la section ; - en ce qui concerne le bouclier : la longueur, le diamètre ; - en ce qui concerne les vérins de poussée : le diamètre et la longueur de chaque 5 vérin ; - en ce qui concerne le train suiveur : la force de traction ; - en ce qui concerne chaque ligne d'injection : la pression hydraulique en-dehors d'un coup de pompe, le volume injecté par coup de pompe, la pression hydraulique minimale et maximale lors d'un coup de pompe, la pression d'injection lorsque la ligne est bouchée, etc. 10 Les consignes susceptibles d'être générées par l'utilisateur comprennent notamment : - des consignes de creusement : par exemple, poussée des vérins et vitesse de rotation de la roue de coupe, - des consignes de marinage : par exemple, composition et pression d'injection du conditionnement (mousse), 15 - des consignes d'extraction du marin : par exemple, vitesse de rotation de la vis et/ou des pompes, - des consignes de guidage : par exemple, répartition de la poussée sur les anneaux, - des consignes de bourrage mortier : par exemple pression et débit d'injection des pompes. 20 Les données de sortie de la simulation sont : - des paramètres calculés en réponse aux consignes de creusement générées par l'utilisateur, - un rapport de creusement. Les paramètres calculés en sortie de la simulation comprennent notamment : la 25 distance de creusement, les volumes excavés et les volumes de mortier injecté, les efforts sur les molettes, l'état d'usure des molettes, le couple de la tête du tunnelier, le couple de la vis d'extraction, la pénétration dans le terrain, le poids et le débit de marin extrait, la déviation de la trajectoire, la pression de confinement dans la chambre d'abattage, etc. Le système de simulation est destiné à être utilisé notamment par deux catégories 30 d'utilisateurs : d'une part, un instructeur chargé de la formation d'un élève pilote ; d'autre part, un élève pilote. Du point de vue de l'élève pilote, le système de simulation lui permet de se placer dans des conditions réalistes de pilotage d'un tunnelier, d'être confronté à différents événements lors du creusement, et de prendre des décisions de pilotage du tunnelier pour atteindre un 35 objectif donné (par exemple, une trajectoire à respecter, etc.). 3060827 8 Du point de vue de l'instructeur, le système de simulation permet, avant l'utilisation par un élève pilote, de sélectionner un scénario, de donner des instructions à l'élève pilote et, après l'utilisation, d'obtenir un rapport de creusement. Ce rapport permet à l'instructeur d'approfondir avec l'élève pilote la pratique de pilotage du tunnelier et les incidents 5 susceptibles d'être rencontrés lors du creusement, et de pouvoir évaluer le niveau et la progression de l'élève pilote. Comme illustré sur la figure 2, le système de simulation comprend une interface utilisateur 100 incluant les éléments suivants : - un ou plusieurs écrans 101, 102, 103 configurés pour afficher des données de 10 creusement, par un affichage en instantané et, de manière avantageuse, en continu (historique) sur un certain laps de temps, en reproduisant de préférence l'agencement et le contenu des écrans de contrôle présents dans le poste de pilotage du tunnelier ; ainsi, l'utilisateur du système de simulation est placé dans un environnement similaire à celui du poste de pilotage réel ; 15 - un dispositif de commande permettant à l'utilisateur de générer des consignes de creusement ; de préférence, ce dispositif de commande se présente sous la forme d'un pupitre 104 comprenant un ou plusieurs boutons, manettes, ou tout autre moyen de commande, présentant une forme et un agencement similaires à ceux du poste de pilotage réel ; 20 - un dispositif de saisie (non représenté) permettant à l'utilisateur de charger un scénario ; ce dispositif comprend typiquement un écran et un moyen de saisie, tel qu'un clavier par exemple, permettant de saisir et/ou modifier des données d'entrée du système de simulation. Le système de simulation comprend par ailleurs un processeur couplé à ladite interface 25 utilisateur et configure pour : - charger un modèle de comportement (par exemple de type EPB ou SLURRY), - charger un scénario, - recevoir les consignes de creusement générées par l'utilisateur, - calculer en temps réel des paramètres au fur et à mesure de l'avancement du 30 creusement. Le calcul desdits paramètres tient compte du scénario, du modèle de comportement et des consignes de creusement. Ces paramètres calculés sont alors affichés sur le ou les écran(s) de l'interface utilisateur. 3060827 9 Plus précisément, le calcul des paramètres repose avantageusement sur le calcul des éléments suivants : - le flux de matière entrant dans la chambre d'abattage, - le flux de matière sortant de la chambre d'abattage, 5 - la pression dans la chambre d'abattage, - la résultante des forces s'exerçant sur le tunnelier, - les efforts exercés sur les vérins de poussée, - la fluidité du marin. Le système de simulation repose sur un modèle de comportement décrivant les lois 10 d'interactions entre les paramètres physiques du tunnelier et du terrain. Le système est ainsi configurable et adaptable à chaque projet au travers de paramètres : - du tunnelier (diamètre, caractéristiques de poussée, nombre et caractéristiques des outils de coupe, etc.) ; 15 - extérieurs (caractéristiques du terrain, boues et mortier) ; - initiaux (pression, usure des outils de coupe). L'instructeur peut alors définir les conditions d'utilisation du système de simulation par des instructions de pilotage et par des scénarios, via une interface de scénarisation décrivant : 20 - la trajectoire théorique du tunnelier, et le long de cette trajectoire : - la nature du terrain ; - les discontinuités géologiques ; - des phénomènes passagers (convergence de terrain) ; - des écarts de fonctionnement du tunnelier : 25 - une panne et/ou une usure anormale des outils de coupe ; - un changement de composition du marin ; - un colmatage de la chambre d'abattage ; - une anomalie du système d'extraction des déblais ; - des changements de conditions extérieures : 30 - un changement de nature de terrain ; - une discontinuité géologique locale ; - une surexcavation du terrain. Un ou plusieurs scénarios peuvent être enregistrés dans une mémoire du système par l'instructeur, et sélectionnés par l'élève par l'intermédiaire de l'interface utilisateur. 3060827 10 Toutefois, de manière avantageuse, il est également possible de concevoir un scénario spécifique. A cet effet, l'interface utilisateur permet à un instructeur d'entrer des conditions particulières relatives au tunnelier et/ou au processus de creusement. Ainsi, l'instructeur est en mesure, par l'intermédiaire du système de simulation, de placer l'élève pilote dans toutes 5 les situations jugées utiles pour lui permettre d'acquérir une maîtrise du pilotage du tunnelier suffisante pour faire face à toutes les éventualités d'un chantier réel. L'élève pilote peut interagir avec le tunnelier simulé via le pupitre de commande contrôlant chaque sous-système de la machine : abattage, marinage, mortier de bourrage et guidage. 10 Pour définir le modèle reproduisant les fonctions de creusement en interaction avec le terrain, des enregistrements réalisés in situ par un système d'acquisition de données, au cours de creusements antérieurs, ont été utilisés. Ces enregistrements ont fait l'objet d'une analyse approfondie dont les enjeux sont : - identifier parmi les centaines de paramètres du tunnelier les grandeurs 15 caractéristiques liées au système de poussée, de marinage et d'abattage du tunnelier ; - rapprocher ces grandeurs de la physique des phénomènes ; - déterminer des fonctions de corrélation reliant ces grandeurs ; - interpréter les valeurs afin de les rapporter aux actions du pilote et retrouver la chronologie des opérations de creusement ; 20 - identifier des écarts de fonctionnement et rechercher leur provenance. Le modèle de comportement qui découle de cette analyse permet de : - calculer le flux de matière entrant dans la chambre d'abattage, c'est-à-dire terrain + marinage + eau ; - calculer le flux de matière sortant de la chambre ; 25 - déterminer la pression dans la chambre d'abattage ; - déterminer la résultante des forces s'exerçant sur la machine ; - calculer les efforts sur les vérins de poussée. Pour être réaliste, le modèle tient compte des interactions terrain-machine, grâce à un algorithme d'asservissement des vérins de poussée au terrain. 30 Le modèle est réactualisé à chaque pas de calcul. Il tient compte en temps réel des variations des paramètres système du tunnelier et des paramètres géologiques et mécaniques du terrain. De manière avantageuse, le modèle de comportement est générique, c'est-à-dire adaptable à tout type de tunnelier et configurable à chaque projet. 35 3060827 11 Modèle de transfert de matière pour un tunnelier à pression de terre (EPB) Dans un tel tunnelier, la définition d'un modèle de transfert de matière consiste à représenter le processus d'échange de matière de la phase d'abattage jusqu'à l'évacuation par le convoyeur. Il s'appuie sur des modèles physiques de mécanique des fluides prenant 5 en compte les « générateurs » (pompes, molettes), les volumes et sections traversées par la matière ainsi que les propriétés de la matière transportée. Un processus de transfert de matière peut être exprimé, en première approximation, de la manière suivante : - les molettes arrachent de la matière au terrain ; la quantité de matière arrachée 10 dépend de la vitesse d'avancement, la composition de ladite matière dépend de la nature du terrain en contact avec la molette ; - la matière abattue est mélangée aux injections de mousse, polymère et bentonite, ce mélange est appelé marin ; - le marin est constitué dans la chambre d'abattage. On considèrera que les injections 15 au niveau de la tête sont en fait directement dans la chambre ; - l'abattage implique une augmentation de la pression dans la chambre, avec une régulation par vanne de type Samson s'appliquant sur la poche d'air ; - la vis extrait le marin de la chambre ; la quantité extraite est fonction de la vitesse de rotation de la vis et de la fluidité du marin (teneur en mousse, polymère, bentonite, argile) ; 20 - le marin se trouvant dans la vis est mélangé aux injections de polymère, bentonite, eau afin de réguler la qualité du bouchon ; - le marin extrait par la vis est rejeté par une porte sur un convoyeur. La figure 3 illustre de manière schématique les flux de matière dans un tunnelier à pression de terre. 25 Les flèches 1, 2, 3 représentent le débit de marin dans la vis d'extraction. Ces débits dépendent notamment du pas de vis, de la vitesse de rotation de la vis, de la section de passage, de la fluidité du marin et de la variation de pression. Les flèches 4 et 5 représentent le débit de marin respectivement lors de la décharge de la vis d'extraction sur un convoyeur, et lors du transport sur ledit convoyeur. 30 La flèche 6 représente le débit de bentonite / polymère extrait par la vis d'extraction avec le marin. Ce flux est généralement commandé manuellement. La flèche 7 représente le débit d'air au travers d'une vanne de la bulle d'air vers l'extérieur de la chambre d'abattage, si le niveau de terre est sous la vanne. Le repère 8 représente le niveau de la bulle d'air. 3060827 12 La flèche 9 représente le débit d'air du marin vers la bulle d'air, qui dépend du taux de destruction de la mousse et du volume de mousse dans le marin. La flèche 10 représente le débit d'eau entrant dans la chambre d'abattage. Les flèches 11 et 12 représentent le débit de mousse injectée dans le terrain, à l'avant 5 de la tête du tunnelier et dans la chambre d'abattage, respectivement. Les flèches 13 et 14 représentent le débit de bentonite / polymère dans la chambre d'abattage et dans la vis d'extraction, respectivement. La flèche 15 représente le débit de marin injecté dans le terrain depuis la chambre d'abattage. 10 La flèche 16 représente le débit d'eau du terrain vers la chambre d'abattage. La flèche 17 représente le débit de terrain entrant dans la chambre d'abattage. La flèche 18 représente le débit d'air injecté dans le terrain depuis la chambre d'abattage. Le modèle de comportement qui découle de cette analyse se traduit par des fonctions 15 mathématiques dont les paramètres ont été fixés empiriquement de sorte que la variable calculée corresponde aux enregistrements réalisés in situ. Modèle de transfert de matière pour un tunnelier à pression de boue Le principe de modélisation est similaire à celui du tunnelier à pression de terre. La figure 4 illustre de manière schématique les flux de matière dans un tunnelier à 20 pression de boue. Un tel tunnelier comprend, à l'arrière de la chambre d'abattage T3, une chambre T3' comprenant la bulle d'air, et communiquant avec la chambre d'abattage par une vanne en partie inférieure. Le repère 0' représente le bilan de matière dans la chambre d'abattage pour maintenir la chambre pleine. 25 La flèche 1' représente le débit de matière sortant de la chambre de la bulle d'air T3'. La flèche 2' représente le débit de marin entrant dans la chambre de la bulle T3'. La flèche 3' représente le débit de matière de la chambre d'abattage T3 vers la chambre de la bulle d'air T3' pour maintenir l'équilibre des pressions entre ces deux chambres. 30 Le repère 4' représente le niveau de la bulle d'air, qui dépend des volumes de matière présents dans la chambre de la bulle T3'. Le repère 5' représente la pression dans la bulle d'air T3'. La flèche 6' représente le débit d'air entrant ou sortant de la bulle (5') au travers d'une vanne. 35 3060827 13 Modèle de calcul d'efforts Un modèle de calcul d'effort permettant de prendre en compte l'ensemble des efforts appliqués dans le tunnelier a également été développé. Ce modèle repose sur les phénomènes suivants : 5 - chaque vérin applique un effort sur la tête de coupe et sur les voussoirs en fonction de leur élongation dans le plan de poussée ; - un effort négatif est généré par la traction du train suiveur ; - un effort de frottement, fonction de la convergence est appliqué sur le bouclier ; - l'effort global appliqué à la tête de coupe est calculé en sommant les efforts générés 10 par les vérins avec l'effort de réaction lié à l'injection de mortier et en soustrayant l'effort de frottement du tablier sur le terrain (convergence) ainsi que l'effort du train suiveur ; - l'effort appliqué à la tête de coupe est retransmis aux molettes ; - le couple appliqué à la tête de coupe est calculé en sommant les efforts transversaux appliqués aux molettes (fonction de la résistance du terrain) ramenés au centre de la tête. 15 Les efforts à contrer par les vérins sont les suivants : - Efforts de contact des molettes : force suivant l'axe X, couple suivant les axes Z et Y - Efforts de traction du backup (train suiveur) : force suivant l'axe X - Efforts de friction : force suivant l'axe X - Efforts dû à la pression du marin dans la chambre : force suivant l'axe et couple 20 suivant Y (pression plus importante en bas), cet effort est calculé en segmentant la chambre en « ouvertures » sur lesquels s'appliquent les pressions qui ne sont pas uniformes. Une somme de ces efforts est effectué afin d'obtenir le torseur global. Au niveau du contrôle de la poussée, un calcul inverse est effectué afin de calculer la force en X à contrer au niveau du point d'appui de chaque vérin. 25 Ces efforts doivent être contrés par les efforts générés par chaque vérin qui sont contrôlés en pression. Une pression globale est donnée sur tous les vérins, les curseurs permettent ensuite de régler une pression additive sur chaque groupe et corriger ainsi la trajectoire du tunnelier. Un asservissement en vitesse permet de jouer sur la pression afin de respecter une 30 vitesse de consigne, elle n'agit que sur la pression globale de base appliquée à tous les groupes, si la pression sur un des vérins est trop basse (vérins du bas), le tunnelier s'arrête, surtout que la pression dans la chambre et de contact peuvent évoluer de manière importante. Un algorithme permet de répartir la pression exercée par chaque vérin de poussée sur 35 l'anneau en place afin de respecter une condition du maintien de la poussée dans un plan. 3060827 14 Les consignes envoyées par le pupitre sont toutes transformées en dérivées puis intégrées par le système. Une consigne d'élongation est donc transmise au modèle par l'intermédiaire d'une vitesse, de même qu'une consigne de vitesse est transmise par l'intermédiaire d'une 5 accélération. Chaque système possédant des contraintes (sur la vitesse et l'accélération de l'élongation d'un vérin par exemple), la prise en compte de la consigne n'est pas immédiate. Ces contraintes (vitesses et accélérations) sont définies dans la configuration du modèle. Modèle d'extraction Ce modèle permet de calculer le débit d'extraction du marin. 10 En EPB, le débit est calculé en fonction des caractéristiques géométriques de la vis d'extraction, de la pression de confinement et de la composition du marin. Le transfert de matière dans la vis d'extraction modélise la translation de celle-ci en créant un ensemble d'entités correspondant à de petites portions de matière. Ces entités transitent dans la vis, possèdent un volume massique et occupent une portion de la vis. La décompression de 15 matière dans la vis est donc correctement gérée par le système. En Slurry, le débit de marin circulant dans les conduites hydrauliques se déduit de sa densité, des caractéristiques mécaniques des pompes d'amenée et d'extraction, de la configuration géométrique globale du circuit et des pertes de charges, selon le principe des équations de mécanique des fluides de Bernoulli. 20 Mise en oeuvre du système de simulation Pour mettre en oeuvre une séquence de formation d'un élève pilote au moyen du système de simulation, l'instructeur sélectionne, à l'aide de l'interface utilisateur, un scénario prédéfini. Eventuellement, l'instructeur modifie le scénario. 25 L'instructeur entre également des instructions de creusement qui devront être respectées par l'élève, par exemple la vitesse de rotation de la tête de coupe, la pression appliquée sur les vérins de poussée ou le débit du système d'extraction. L'élève s'installe alors devant le pupitre de commande, et entre des consignes pour mettre en route le système et engager le creusement en contrôlant chaque sous-système, à 30 savoir le mortier de bourrage, l'abattage, le marinage et le guidage du tunnelier. Au fur et à mesure du déroulement du scénario, le système calcule des paramètres, qui sont affichés en temps réel sur les écrans de l'interface utilisateur. Comme indiqué plus haut, les informations fournies à l'élève sont très réalistes, tant en termes de présentation que d'échelle de temps et de contenu. 3060827 15 Selon le scénario défini par l'instructeur, l'élève peut se trouver confronté à des difficultés liées au terrain et/ou au tunnelier, et doit adapter les consignes de creusement qu'il entre dans le système. Dans le cas où une instruction de creusement n'est pas respectée, le système peut 5 émettre une alerte, par exemple visuelle et/ou sonore, et peut également enregistrer ce non- respect de l'instruction en vue de l'édition du rapport final. Le système enregistre l'ensemble de ces consignes ainsi que leur effet sur le processus de creusement. Ceci permet d'effectuer une analyse a posteriori du comportement de l'élève et de ses choix de creusement. Comme on le verra plus bas, cet enregistrement permet 10 également de générer un rapport d'évaluation qui attribue une note à l'élève. Une fois que le scénario a été joué dans son intégralité, le système arrête la simulation et édite un rapport qui contient l'historique des manoeuvres effectuées. Ce rapport peut éventuellement comprendre une comparaison avec un rapport de référence qui permet à l'élève d'identifier les aspects maîtrisés et les lacunes restantes. Ce 15 rapport de référence est obtenu par la mise en oeuvre de la simulation par l'instructeur, sur la base du même scénario, et l'enregistrement du rapport correspondant. Il est ainsi possible de noter l'élève par rapport à la prestation d'un expert dans les mêmes conditions, et d'identifier sa capacité à respecter des instructions données, tant en termes de vitesse de creusement que des paramètres calculés. 20 Ce rapport peut également être commenté à l'élève pilote par l'instructeur afin de lui faire prendre conscience des éventuelles erreurs qu'il a pu commettre et échanger sur les situations rencontrées. Le rapport peut être enregistré dans le dossier de l'élève pilote pour permettre de suivre sa progression au fil du temps. 25 A la fin de l'apprentissage, un certificat de passage sur le système de simulation indiquant le nombre d'heures d'entraînement, les scénarios évalués et le niveau atteint pour chaque scénario, est édité et remis à l'élève pilote. Par rapport à un enseignement conventionnel sur un tunnelier réel, les avantages du système de simulation selon l'invention sont les suivants. 30 En premier lieu, le système de simulation minimise le temps de formation des élèves pilotes effectué en production sur le chantier sous la responsabilité d'un pilote chevronné, et évite ainsi de pénaliser la montée en cadence du chantier. Le système de simulation permet au contraire de mettre à profit le temps des pilotes pendant les périodes de non-creusement (par exemple liées à un arrêt pour maintenance, démontage/remontage) pour rafraîchir ou 35 améliorer des connaissances déjà acquises. 3060827 16 D'une part, la réaction des pilotes face à des situations anormales est améliorée, du fait que le système de simulation leur permet de répéter chaque situation jusqu'à ce qu'une maîtrise satisfaisante du phénomène soit acquise. Par ailleurs, la possibilité de confronter les pilotes à des scénarios variés permet une 5 meilleure prévention des risques susceptibles d'engendrer des désordres importants en surface. Enfin, la meilleure compréhension globale du fonctionnement du tunnelier, couplée à une bonne connaissance des situations qui présentent le moins de risque, permettent au pilote de maximiser ses performances. 10 REFERENCES [1] Process and logistics Simulation in Mechanized Tunneling, T. Rahm et al, AnyLogic Conference 2012, Berlin, 13/12/2012 [2] Experience acquisition simulator for operating microtunneling boring machines, A. 15 Jardôn et al, Automation in Construction, Vol. 23, May 2012, pp. 33-46 REVENDICATIONS1. Système de simulation du creusement d'un terrain par un tunnelier à pression de confinement comprenant un bouclier, une tête de coupe et une chambre d'abattage étanche situées dans une partie avant du bouclier, des vérins de poussée situés dans une partie arrière du bouclier et destinés à exercer un effort de poussée de la tête de coupe vers l'avant, et un système d'extraction de déblais de la chambre d'abattage, ledit système comprenant : - une interface utilisateur (100), comprenant : - au moins un écran (101, 102, 103) configuré pour afficher en temps réel des paramètres de creusement et - au moins un pupitre de commande (104) adapté pour permettre à un utilisateur de générer des consignes de creusement, - un dispositif de saisie adapté pour permettre à un utilisateur de saisir et/ou modifier des données d'entrée du système, - un processeur couplé à l'interface utilisateur et configuré pour : - charger un type de tunnelier, - charger un scénario définissant au moins l'un des paramètres suivants : - une trajectoire théorique du tunnelier, - la nature du terrain le long de ladite trajectoire théorique, - un écart de fonctionnement du tunnelier. - charger un modèle de comportement préalablement enregistré, ledit modèle de comportement décrivant des interactions entre des paramètres physiques du tunnelier et du terrain creusé, - recevoir en temps réel des consignes de creusement générées par un utilisateur par l'intermédiaire du pupitre de commande, - calculer en temps réel des paramètres au fur et à mesure de l'avancement du creusement en fonction des paramètres du scénario, du modèle de comportement et des consignes générées par l'utilisateur, - générer en temps réel l'affichage desdits paramètres calculés sur l'écran de l'interface utilisateur. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le processeur est configuré pour calculer en temps réel : - un flux de matière entrant dans la chambre d'abattage du tunnelier, - un flux de matière sortant de la chambre d'abattage, 3060827 18 - une pression dans la chambre d'abattage, - une résultante des forces s'exerçant sur le tunnelier, - des efforts exercés sur les vérins de poussée, - une fluidité du marin. 5 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le dispositif de saisie de l'interface utilisateur est adapté pour permettre à un utilisateur de : - modifier le modèle de comportement, et/ou - sélectionner et/ou modifier un scénario. 10 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le processeur est couplé à une mémoire dans laquelle sont enregistrés au moins deux profils d'utilisateurs différents, un premier profil d'utilisateur possédant des droits pour modifier le modèle de comportement, sélectionner et/ou modifier un scénario et générer des consignes de 15 creusement, et un second profil d'utilisateur possédant des droits pour uniquement générer des consignes de creusement, et le dispositif de saisie de l'interface utilisateur est configuré pour permettre à un utilisateur de s'identifier selon le premier ou le second profil. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif de saisie 20 de l'interface utilisateur est adapté pour permettre à un premier utilisateur d'enregistrer des paramètres d'entrée et/ou des instructions de creusement à respecter par un second utilisateur, lesdits paramètres d'entrée et instructions comprenant : - des paramètres du tunnelier, - des scénarios de creusement, 25 - des consignes de creusement, - des seuils d'alerte en cas de dépassement des consignes, le processeur étant configuré pour prendre en compte lesdites consignes de creusement dans le calcul des paramètres. 30 6. Système selon la revendication 5, dans lequel le processeur est configuré pour émettre une alerte si le second utilisateur ne respecte pas les instructions de creusement préalablement enregistrées. 3060827 19 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'écart de fonctionnement du tunnelier inclus dans le scénario comprend au moins l'une des situations suivantes : - une panne et/ou une usure anormale des outils de coupe ; 5 - un changement de composition du marin ; - un colmatage de la chambre d'abattage ; - un changement de nature de terrain ; - une discontinuité géologique locale ; - une anomalie du système d'extraction des déblais ; 10 - une surexcavation du terrain. 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le type de tunnelier est choisi parmi au moins un tunnelier à pression de terre et un tunnelier à pression de boue, le modèle de comportement chargé par le processeur dépendant du type de tunnelier 15 sélectionné. 9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le pupitre de commande est adapté pour permettre à un utilisateur de générer des consignes relatives à l'abattage, au marinage, à la mise en oeuvre de mortier de bourrage et/ou au guidage du 20 tunnelier. 10. Système selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le processeur est configuré pour, à l'issue d'une séance de simulation de creusement, éditer un rapport restituant les consignes effectuées par l'utilisateur lors de ladite séance et l'effet desdites 25 consignes sur les paramètres calculés. 11. Système selon la revendication 10, dans lequel le processeur est configuré pour comparer les données du rapport avec un rapport de référence, et pour éditer le rapport avec ladite comparaison. 30 12. Système selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel l'écran de l'interface utilisateur est configure pour afficher un historique et une valeur instantanée de chaque paramètre calculé. 3060827 20 13. Procédé de simulation du creusement d'un terrain au moyen d'un système selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel : - un premier utilisateur, dit instructeur, sélectionne un type de tunnelier et un scénario, - un second utilisateur, dit élève, charge le type de tunnelier et le scénario sélectionnés 5 par l'instructeur, et génère des consignes de creusement, - les paramètres calculés sont affichés en temps réel sur au moins un écran de l'interface utilisateur. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel, pour chaque paramètre calculé, 10 on affiche un historique et une valeur instantanée. 15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, comprenant en outre, à la fin de la séance de simulation, l'édition d'un rapport restituant les consignes effectuées par l'utilisateur lors de ladite séance et l'effet desdites consignes sur les paramètres calculés. 15