Un tunnelier ( TBM ), également connu sous le nom de taupe, est utilisé pour la construction de tunnels dans des couches de roche dure ou tendre. Le processus de coupe utilise la rotation de la tête de coupe (équipée de disques de coupe) et la pression de la lame pour creuser sur la face de la roche. La plupart du temps, les tunneliers à pince et à bouclier sont idéaux pour creuser des tunnels dans des conditions de roche difficiles avec un temps d'arrêt moyen à élevé.
Le coût de construction des tunnels par tunnelier est plus élevé que celui des méthodes traditionnelles. Cependant, les dépenses supplémentaires peuvent être compensées par des taux d'avancement plus élevés (couverture). Mais si le taux d'usure des outils augmente trop en raison de la résistance de la roche ou d'autres critères défavorables, la réparation et l'entretien réguliers des outils de forage entraîneraient des temps d'arrêt élevés.
En raison des temps d'arrêt élevés, le temps de fonctionnement de l'appareil diminue, ce qui entraîne une réduction de l'efficacité et une augmentation des coûts. Par conséquent, les procédures logistiques du TBM doivent être conçues avec le plus grand soin.
En outre, dans le cas des méthodes traditionnelles, il est possible de répondre aux interactions tunnel-roche soit en subdivisant la section excavée, soit en adaptant rapidement le support à la situation géologique. Mais ceci n'est pas possible avec les tunneliers.
Le choix d'utiliser un tunnelier nécessite avant tout une étude géologique bien plus poussée que pour les méthodes de forage et de dynamitage. Une préparation complète de l'ensemble de la procédure de fonçage et de soutènement devient donc très importante.
1. Avantages et inconvénients du TBM par rapport aux méthodes traditionnelles de creusement de tunnels
Les avantages et les inconvénients d'un creusement TBM par rapport aux méthodes de creusement de tunnel traditionnelles sont les suivants :
1.1 Avantages
Un profil d’excavation spécifique peut être réalisé.
Des taux d’avance plus élevés sont réalisables.
Le travail est entièrement automatisé et continu.
Faible coût de main d'oeuvre.
De meilleures conditions de fonctionnement.
Une mécanisation et une automatisation complètes de l'entraînement sont possibles.
1.2 Inconvénients
Investissement financier élevé.
Des informations géologiques spécifiques et détaillées sont indispensables pour le TBM.
Un temps de préparation plus long est nécessaire pour la conception de la machine.
Le TBM présente des limitations sur les rayons de courbe, en particulier sur les courbes à rayon serré ; il est difficile de faire pivoter l'ensemble de la configuration du TBM.
L'adaptation aux différents types de roches et aux apports d'eau élevés est limitée à un certain niveau.
Le coût de transport du tunnelier jusqu’au site du tunnel est très élevé.
2. Principe de base de la construction
Les éléments fondamentaux d'un TBM sont le porte-outil, le support de porte-outil avec les moteurs d'entraînement du porte-outil, le bâti de la machine et les dispositifs d'entraînement et de serrage. Ces éléments fondamentaux forment quatre groupes de systèmes du TBM.
Système d'alésage
Système de poussée et de serrage
Système d'enlèvement de la boue
Système de soutien
2.1 Système d'alésage
Le système d'alésage est un élément essentiel car il détermine l'efficacité d'un tunnelier. Il est constitué d'une tête de coupe sur laquelle sont montées des fraises à disque.
Lors de la rotation de la tête de coupe, la configuration des disques doit être telle que toute la surface de coupe se présente sous forme de pistes concentriques. Le choix de la tête de coupe et des disques dépend du type de roche et de la facilité de coupe.
La tête de coupe rotative presse les disques avec une forte pression contre le front de taille, produisant un mouvement de coupe sur le front de taille. La pression exercée sur le tranchant des disques de coupe dépasse la résistance à la compression de la roche et la broie localement.
2.2 Système de poussée et de serrage
Le système de poussée et de serrage a un impact sur la vitesse d'avancement d'un tunnelier. Un tunnelier atteint généralement une vitesse d'avancement allant jusqu'à 2,0 m par jour.
Ce système est responsable de la poussée d'avance et du processus de forage. Le système de poussée fournit la poussée au porte-outil par l'intermédiaire de vérins hydrauliques. Ce système contrôle ainsi le mouvement du porte-outil. Le système de serrage limite la poussée possible et résiste aux moments développés par la rotation du porte-outil.
2.3 Système d'élimination des boues
La fente autour de la limite de la tête de coupe est appelée godet de coupe. Le godet de coupe est relié aux bandes transporteuses et récupère la boue générée près de la tête de coupe, qui est finalement évacuée à l'extérieur du tunnel.
Afin d'évacuer les boues du tunnel, il convient d'utiliser un système efficace qui ne doit pas interférer avec l'alimentation du tunnelier et des systèmes de soutien essentiels.
Des problèmes peuvent survenir au niveau du godet de la tête de coupe et de la bande transporteuse si l'obstruction est provoquée par des blocs de roche plus gros. Cela rendrait le fonctionnement du tunnelier difficile.
2.4 Système de soutien
Il est difficile d'utiliser un tunnelier dans des roches cassantes car celui-ci s'enfoncerait avec l'augmentation du diamètre du tunnel. Des supports sont donc prévus pour éviter l'enfoncement du tunnelier.
Pour les tunnels de plus petit diamètre, les supports sont prévus autour du chariot arrière derrière le tunnelier. Alors que, dans le cas de tunnels de plus grand diamètre, en plus des supports autour du chariot arrière, des supports d'avancement tels que des boulons d'ancrage et des renforts de parapluie sont prévus.
Pour protéger les zones de faille, des supports tels que des boulons, des tuyaux, des injections de coulis et des dispositifs de congélation du sol doivent être utilisés au-dessus ou devant la tête de coupe. Cependant, le système de support de bouclier de toiture est plus utile lors de l'avancement dans les zones de faille. Ce système de support de bouclier de toiture protège les membres de l'équipe travaillant derrière la tête de coupe contre les chutes de pierres.
Actuellement, on utilise principalement deux types de tunneliers. Dans le premier type, le tunnel traversé par un tunnelier à pinces forme un seul secteur inversé. Ce secteur inversé fournit un support temporaire et permanent et est également utile pour le montage des rails du chariot arrière et du convoyeur à rails.
Le deuxième type est le tunnelage par tunnelier à bouclier, dans lequel le bouclier assure un soutien temporaire à la roche autour du périmètre du tunnel. Des segments en béton armé sont principalement utilisés pour le soutien. Les segments sont installés individuellement par le monteur et fournissent un soutien immédiat. Le soutien par air comprimé et pression de terre est bénéfique pour le tunnelier à bouclier lors de l'infiltration d'eau.
3. Types de tunneliers
Différents types de tunneliers étaient utilisés dans le passé pour le creusement mécanisé de tunnels dans des roches dures ou tendres. Cependant, deux grandes catégories de tunneliers sont utilisées dans le processus de creusement de tunnels actuel. Le tunnelier à excavation complète et le tunnelier à excavation partielle.
3.1 TBM avec excavation complète
Voici les différents types de tunneliers à excavation pleine face :
Pince TBM
Bouclier TBM
3.1.1 Pince TBM
Le tunnelier à pinces est la forme la plus ancienne de tunnelier. Il est principalement utilisé dans les roches dures avec un temps de repos moyen à élevé. Dans ces roches, le besoin de supports continus tels que des ancrages rocheux, des arches en acier et du béton projeté est nettement moindre. Ainsi, des taux d'avancement plus élevés sont possibles en produisant plus de poussée. Afin de produire la poussée derrière la tête de coupe, le tunnelier à pinces doit être soutenu radialement par des sabots de serrage contre la paroi du tunnel. Ces sabots de serrage sont appelés pinces.
Les tunneliers à pince sont en outre classés en tunneliers ouverts, tunneliers avec système de toiture, avec toiture et patins de direction latéraux et avec bouclier de tête de coupe.
3.1.1.1 Tunnelier ouvert
Le tunnelier ouvert n'est utile que dans les sections de tunnel de plus petit diamètre car aucune protection n'est prévue derrière la tête de coupe.
3.1.1.2 TBM avec bouclier de toit
Le processus de construction du tunnel à l'aide d'un tunnelier avec un bouclier de toit est le même que celui du tunnelier ouvert. Cependant, le bouclier de toit assure une protection contre les chutes de pierres tout au long de l'excavation. De tels boucliers de toit sont installés derrière la tête de coupe.
3.1.1.3 TBM avec bouclier de toit et patins de direction latéraux
Les patins de direction latéraux fournissent un soutien supplémentaire à l'avant de la machine lors du déplacement de la machine et de la direction tout au long du forage.
3.1.1.4 TBM avec bouclier de tête de coupe
Le bouclier de protection de la tête de coupe assure la protection des ouvriers travaillant sous la tête de coupe. Lors du déplacement de la machine, le bouclier de protection de la tête de coupe contribue également au support avant.
3.1.2 Tunnelier à bouclier
Le tunnelier à bouclier est une invention récente. Il est utile dans les roches dures et fracturées avec un temps de repos moyen à élevé. Les tunneliers à bouclier sont classés en tunneliers à bouclier simple, à bouclier double ou à bouclier télescopique.
3.1.2.1 Tunnelier à bouclier simple
Les tunneliers à bouclier simple sont principalement utilisés dans les roches dures avec un temps de repos modéré. Le système de tête de coupe et le système d'évacuation des boues sont les mêmes que dans le tunnelier à pince. Cependant, ce type de tunnelier est utile pour soutenir le tunnel pendant une courte durée. Le bouclier s'étend entièrement sur la machine complète à partir de la partie tête de coupe.
Contrairement au tunnelier à pinces, la machine avance à l'aide de vérins de poussée directement contre le support du tunnel existant.
3.1.2.2 Tunnelier à double bouclier ou à bouclier télescopique
Le tunnelier à double bouclier ou à bouclier télescopique est similaire au tunnelier à bouclier simple pour enfoncer la machine dans la roche fracturée avec un temps de repos modéré. Cependant, il présente les différences suivantes par rapport au tunnelier à bouclier simple :
Le TBM à double bouclier est constitué de deux boucliers principaux, le bouclier avant et le bouclier de préhension.
Grâce aux unités de serrage, la machine peut se bloquer radialement dans le tunnel de manière adéquate. En outre, dans les conditions géologiques défavorables, elle peut repousser le revêtement existant dans le sens de l'avancement.
Le bouclier avant peut fournir la poussée sans affecter le bouclier de préhension.
Le fonctionnement de base est également possible sans la mise en place de la doublure.
Le tunnelier à double bouclier présente également des inconvénients par rapport au tunnelier à simple bouclier. Lorsque le tunnelier à double bouclier est utilisé dans des roches fracturées à haute résistance, le bouclier arrière peut empêcher le matériau de pénétrer dans l'unité d'élimination des boues.
3.2 TBM pour excavation partielle
Pour une excavation complète, les tunneliers peuvent creuser un tunnel de diamètre limité. De plus, le profil excavé est limité à une section circulaire. Ainsi, pour la construction de tunnels de plus grand diamètre et de section non circulaire, on utilise des tunneliers pour excavation partielle. Les tunneliers pour excavation partielle sont classés en tunneliers élargis et en machines uniques pour section non circulaire.
3.2.1 TBM élargi
Il est utilisé pour construire des tunnels d'un diamètre supérieur à 8 mètres. Tout d'abord, la section du tunnel est élargie à l'aide d'un pilote de forage continu, qui est complètement enfoncé au centre du tunnel. Ensuite, l'élargissement du tunnel est effectué à l'aide de machines TBM élargies.
3.2.2 Machines uniques pour sections non circulaires
Tous les types de machines qui creusent le front de taille selon un processus partiel et permettent ainsi d'obtenir des sections variant de circulaires, sont classés comme machines uniques pour sections non circulaires.
FAQ
Qu'est-ce que TBM ?
Un tunnelier (TBM), également connu sous le nom de taupe, est utilisé pour la construction de tunnels dans des couches de roche dure ou tendre.
Quels sont les types de TBM ?
Deux grandes catégories de tunneliers sont utilisées dans le processus de creusement de tunnels moderne. Les tunneliers à excavation complète et les tunneliers à excavation partielle. Les tunneliers à excavation complète comprennent les tunneliers à pinces et à bouclier, et les tunneliers à excavation partielle comprennent les tunneliers élargis et les machines uniques pour les sections non circulaires.
Quels systèmes de support sont fournis dans le TBM lors de l'avancement dans les zones de faille ?
Pour protéger le TBM des zones de faille, des systèmes de support tels que des boulons d'ancrage, des tuyaux, des injections de coulis et des dispositifs de congélation sont prévus au-dessus ou devant la tête de coupe.
Quelle est l'utilité du système de support de bouclier de toiture ?
Le système de support de bouclier de toiture est utile lors de l'avancement dans la roche fracturée. Ce système de support de bouclier de toiture protège les membres de l'équipe travaillant derrière la tête de coupe contre les chutes de pierres.
Quelle est l’importance du tunnelage du bouclier ?
Le creusement de tunnels à bouclier est principalement utile dans les roches dures avec un temps de repos modéré et dans les roches fracturées, car le bouclier s'étend entièrement sur la machine complète à partir de la partie tête de coupe et assure la sécurité de l'ensemble de la structure.