EP0520909A1 - Tunnelier comprenant une tête de coupe dont la position est réglable - Google Patents

Tunnelier comprenant une tête de coupe dont la position est réglable Download PDF

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EP0520909A1
EP0520909A1 EP92401821A EP92401821A EP0520909A1 EP 0520909 A1 EP0520909 A1 EP 0520909A1 EP 92401821 A EP92401821 A EP 92401821A EP 92401821 A EP92401821 A EP 92401821A EP 0520909 A1 EP0520909 A1 EP 0520909A1
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EP
European Patent Office
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cutting head
shield
axis
rings
tunneling machine
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EP92401821A
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German (de)
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EP0520909B1 (fr
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Yves Martin
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GTM Batiment et Travaux Publics SA
Original Assignee
GTM Batiment et Travaux Publics SA
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/1093—Devices for supporting, advancing or orientating the machine or the tool-carrier
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/068—Deflecting the direction of boreholes drilled by a down-hole drilling motor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
    • E21D9/08—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield
    • E21D9/0875—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield with a movable support arm carrying cutting tools for attacking the front face, e.g. a bucket
    • E21D9/0879—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield with a movable support arm carrying cutting tools for attacking the front face, e.g. a bucket the shield being provided with devices for lining the tunnel, e.g. shuttering

Definitions

  • the present invention relates to a tunneling machine, that is to say a machine for digging tunnels.
  • the tunnel boring machines comprise a disc-shaped cutting head mounted in rotation along an axis parallel to the axis of a cylindrical shield situated at the rear of the cutting head.
  • a hole with a diameter slightly larger than that of the outer skirt of the shield is usually drilled.
  • the cutting head has a diameter greater than that of the shield skirt.
  • the lower generator of the cutting head must not be located below the lower generator of the shield to prevent the machine from starting to descend gradually.
  • the cutting head in order for the machine to be able to fit into a curve, the cutting head must dig further into the ground in the direction in which the machine must turn. This condition implies that one can also shift the axis of the head in a horizontal plane.
  • the first known embodiment uses a peripheral tool mounted at the end of the rod of a cylinder arranged radially on the cutting head.
  • the constant or variable elongation of this cylinder makes it possible to adjust the diameter or the position of the overcut.
  • the cutting head is mounted on a ball which makes it possible to orient it towards the place where one wants to dig more.
  • Protecting the ball joint involves a protective seal that is exposed to materials that wear out quickly.
  • the orientation of the head requires control cylinders and position sensors associated with a calculation unit. Such a system is complicated, fragile and unreliable.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks of known embodiments by proposing a simple and reliable system making it possible to adjust the position of the cutting head of a tunnel boring machine with respect to the axis of the shield.
  • the invention thus relates to a tunnel boring machine comprising a cylindrical shield carrying a disc-shaped cutting head mounted in rotation along an axis parallel to that of the shield, the cutting head comprising on its face adjacent to the shield an annular part centered on the axis of the cutting head, the diameter of the latter being greater than that of the shield.
  • this tunnel boring machine is characterized in that between said annular part of the cutting head and a cylindrical internal surface of the end of the shield is interposed at least one ring whose internal profile is a circle centered on the axis of the cutting head and the outer profile forming eccentric is a circle whose center is offset from the axis of the cutting head.
  • the outer profile ring forming an eccentric interposed between the annular part of the cutting head and the internal surface of the shield makes it possible to offset the axis of the cutting head relative to the axis of the shield.
  • the abovementioned offset can be such that the lower generator of the cutting head is located on the lower generator of the shield.
  • the latter performs an overcut of the ground towards the top of the tunnel, to reduce the friction of the tunnel boring machine with respect to the ground during its progression.
  • this ring constitutes a means of adjusting the offset between the two above axes, extremely reliable, unlike the cylinders and ball joints used in known embodiments.
  • two rings fitted one inside the other are interposed between said annular part of the cutting head and the internal surface of the end of the shield, these two rings defining three circles, one of which first circle centered on the axis of the cutting head, a second circle common to the two rings, the center of which is offset from the center of the cutting head, and a third circle, in contact with the internal cylindrical surface of the end of the shield, the center of which is also offset from the centers of the first and second circles.
  • the two rings cooperate with means which make it possible to adjust by rotation their angular position relative to the cutting head and one with respect to the other.
  • these rings make it possible to adjust the position of the axis of the cutting head relative to that of the shield, to compensate for the wear of the cutting head and to achieve an overcut of the ground making it possible to register the tunnel borer in a curve.
  • the tunnel boring machine comprises a shield 1 having a cylindrical outer skirt 2 engaged in the cylindrical tunnel 3 during drilling.
  • the end of the shield has a sharp circular edge 4. Behind this edge 4, the shield 1 has an annular protuberance 5 projecting radially towards the axis X-X ′ of the shield 1.
  • a covering consisting of concrete elements 6 has been placed inside the tunnel. Between the front edge of the covering 6 and the annular protuberance 5 extend cylinders 7 exerting an axial thrust which advances the shield 1 forward as the tunnel advances.
  • a cutting head 8 in the form of a disc and carrying at its periphery cutting tools 9 liable to wear out.
  • the rear face of the cutting head 8 comprises an annular part 10, centered on the axis of rotation YY ′ of the cutting head 8.
  • annular support 11 Around this annular part 10 is mounted an annular support 11. Between this support 11 and the annular part 10 is formed a circular rolling track 12 centered on the axis YY ′. Opposite this raceway 12 towards the axis YY ′, the annular part 10 comprises a ring gear 13 on which are gears of the pinions 14 driven by motors 15 integral with the support 11.
  • a hub 16 is engaged in the cylindrical recess of the annular part 10.
  • the support 11 is integral with stops 17 by means of connecting members 18 which will be detailed below.
  • the stops 17 are fixed to the shield 1 and collect the torque and thrust forces.
  • two rings 19, 20 axially fitted one inside the other.
  • These two rings 19, 20 define (see FIG. 2) three circles, including a first circle C1 centered on the axis YY ′ of the cutting head 8 and in contact with the external surface of the support 11, a second circle C2 common to two rings 19, 20 whose center O is offset from the axis YY ′ of the cutting head 8, and a third circle C3 in contact with the cylindrical internal surface 5a of the end of the shield whose center O1 is also offset from the centers YY ′ and O of the first and second circles C1, C2.
  • the two rings 19, 20 cooperate with means which make it possible to adjust by rotation, their angular position relative to the cutting head 8 and one relative to the other.
  • the rings 19, 20 each comprise, at their edge opposite the cutting head 8, a flange 19a, 20a.
  • the end of the support 11 adjacent to the stops 17 comprises a flange 11a which partly covers the rear of the ring 19.
  • the latter itself comprises a flange 19a which partly covers the rear of the ring 20 which also has a collar 20a which partially covers the adjacent edge of the cylindrical surface 5a.
  • the two rings 19, 20 cooperate with means which allow their angular position relative to the cutting head 8 to be adjusted by rotation.
  • These means can be constituted by motors driving in rotation (see FIG. 2) toothed wheels 21, 22 meshed with crowns or toothed sectors 23, 24 integral with the rings 19, 20.
  • Figures 2, 3A and 3B show the position of the rings 19, 20 when the cutting tools 9 carried by the cutting head 8 are new and the TBM progresses in a straight line.
  • the centers O, O1 of the outer circles C1, C3 of the two rings 19, 20 are offset in the same direction downwards, so that the lower generators G1 and G2 of the cutting head 8 and the shield 1 are confused.
  • the cutting tools 9 carried by it wear and cause a reduction in the diameter of the head and of the tunnel drilled by the latter.
  • FIGS. 4A and 4B show the case where the cutting tools 9 carried by the cutting head 8 are worn and the tunnel boring machine progresses in a straight line.
  • the center O1 of the outer circle C3 of the second ring 20 is shifted downward relative to the axis of rotation YY ′ of the head 8 while the center O of the outer circle C1 of the first ring 19 is shifted up.
  • This position is obtained by rotating the first ring 19 in the second ring 20 at an angle of 180 °, which, due to its eccentricity makes pass its center O above the center YY ′ of the cutting head.
  • the first ring 19 thus acts as an eccentric to compensate for the wear of the cutting tools 9.
  • FIGS. 4A and 4B corresponds to a position beyond which it is no longer possible to compensate for the wear of the cutting tools 9, that is to say to maintain the lower generators G1 and G2 in coincidence.
  • control of the rotation of the ring 19 to keep the lower generators G1 and G2 in coincidence could be controlled by the wear of the cutting tools which could itself be detected by means of suitable sensors.
  • the cutting head When you want to register the TBM in a curve, it is necessary that the cutting head performs an overcut in the ground in the direction of the curve, that is to say either to the right or to the left.
  • the magnitude of this overcut depends of course on the radius of the curve and the length of the shield. This overcut is made by shifting the axis of the cutting head 8 either to the right, for a curve to the right or to the left, for a curve to the left.
  • FIGS. 5A and 5B show the position of the rings 19 and 20 when the cutting tools 9 of the cutting head 8 are new and the tunnel boring machine is engaged in a curve.
  • the centers O and O1 of the outer circles C2, C3 of the two rings 19, 20 are offset in the same direction downward relative to the axis of rotation YY ′ of the head 8 and are situated on a straight line D forming a certain angle (a) with respect to a horizontal plane, this straight line being inclined towards the direction of the curve.
  • FIGS. 6A and 6B show the position of the rings 19, 20 when the cutting tools are worn and when it is desired to make an overcut to the right.
  • the centers O, O1 of the outer circles C2, C3 of the two rings 19, 20 are offset in the same direction relative to the axis of rotation YY ′ of the head 8 and are located on a horizontal line D1 opposite to the direction of the curve.
  • the position shown in FIG. 6A is the extreme position beyond which it is no longer possible to compensate for the wear of the cutting tools. Between the positions shown in FIGS. 5A and 6A exist intermediate positions, obtained by rotation of the ring 20.
  • the axis YY ′ of the cutting head 8 can occupy various positions relative to the axis XX ′ of the shield 1, it is necessary to provide between the support 11 of the head 8 and the stops 17 integral with the shield 1, connecting members 18 allowing the head 8 to move between the various above positions, while absorbing the torque and thrust forces.
  • Such a connecting member 18 is shown in exploded perspective in Figure 7. It comprises a part 25 integral with a stop 17 having on its face opposite the stop a rib 26 engaged in a complementary groove 27 formed in the opposite face an intermediate piece 28. The latter has on its opposite face a rib 29 making an angle of 90 ° by relative to the rib 26 of the part 25, engaged in a complementary groove 30 formed on the opposite face of a part 31, integral with the support 11.
  • This member takes up the principle of the Oldam keying.
  • seals will be placed between the annular part 10 and the hub 16, in front of the raceway 12 and the ring gear 13 to protect them against materials likely to penetrate the part between the cutting head 8 and the front edge 4 of the shield 1.
  • the device proposed in the present invention makes it possible, using cylinders located between the stops 17 and the supports 11, to permanently know the total thrust applied to the cutting head only by measuring their average pressure.
  • the two rings 19, 20 constitute eccentrics which make it possible both to compensate for the wear of the cutting head 8 and to make cuts in the ground to the right or to the left to register the tunnel boring machine in a curve.
  • these rings 19, 20 occupy a relatively small space in the front part of the TBM and are easy to assemble and disassemble.
  • these rings 19, 20 do not increase the axial length of the tunnel boring machine, unlike known embodiments, in which the cutting head is mounted on a ball joint.
  • a single eccentric ring is sufficient, if one is satisfied with compensating for the wear of the cutting tools.

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Abstract

Le tunnelier comprend un bouclier cylindrique (2) portant une tête de coupe (8) en forme de disque, montée en rotation suivant un axe (Y-Y′) parallèle à celui du bouclier (2).
Entre ladite partie annulaire (10) de la tête de coupe (8) et une surface interne cylindrique (5a) de l'extrémité du bouclier (2) est intercalée au moins une bague (19) dont le profil intérieur est un cercle (C₁) centré sur l'axe (X-X′) de la tête de coupe et le profil extérieur formant excentrique est un cercle dont le centre est décalé par rapport à l'axe (Y-Y′) de la tête de coupe.
Utilisation pour compenser l'usure des têtes de coupe et pour réaliser des surcoupes latérales du terrain pour inscrire le tunnelier dans les courbes.

Description

  • La présente invention concerne un tunnelier, c'est-à-dire une machine pour creuser les tunnels.
  • Les tunneliers comprennent une tête de coupe en forme de disque montée en rotation suivant un axe parallèle à l'axe d'un bouclier cylindrique situé à l'arrière de la tête de coupe.
  • A l'intérieur du bouclier sont placés des vérins qui appliquent une poussée sur la tête de coupe en même temps que celle-ci est entraînée en rotation.
  • Pour éviter des frottements excessifs entre le bouclier et le terrain, on fore habituellement un trou de diamètre légèrement supérieur à celui de la jupe extérieure du bouclier. A cet effet, la tête de coupe présente un diamètre supérieur à celui de la jupe du bouclier. Toutefois, la génératrice inférieure de la tête de coupe ne doit pas se situer en-dessous de la génératrice inférieure du bouclier pour éviter que la machine ne se mette à descendre progressivement.
  • Ces conditions impliquent donc que l'axe de rotation de la tête de coupe soit situé au-dessus de celui du bouclier.
  • Par ailleurs, pour que la machine puisse s'inscrire dans une courbe, il faut que la tête de coupe creuse davantage le terrain dans la direction suivant laquelle la machine doit tourner. Cette condition implique que l'on puisse également décaler l'axe de la tête dans un plan horizontal.
  • D'autre part, lors de son fonctionnement, la tête de coupe s'use, de sorte que son diamètre diminue progressivement au cours du temps. Ainsi, pour maintenir la génératrice inférieure de la tête de coupe au même niveau que celle du bouclier, il convient de modifier progressivement le décalage existant entre les axes de la tête de coupe et du bouclier.
  • On connaît diverses réalisations pour modifier la position relative de la découpe effectuée par la tête par rapport à celle du bouclier.
  • La première réalisation connue utilise un outil périphérique monté au bout de la tige d'un vérin disposé radialement sur la tête de coupe. L'élongation constante ou variable de ce vérin permet de régler le diamètre ou la position de la surcoupe.
  • Dans une autre réalisation connue, la tête de coupe est montée sur une rotule qui permet de l'orienter vers l'endroit où l'on veut creuser davantage. La protection de la rotule implique un joint de protection qui est exposé aux matériaux qui l'usent rapidement. De même, l'orientation de la tête nécessite des vérins de commande et des capteurs de position associés à une unité de calcul. Un tel système est compliqué, fragile et peu fiable.
  • Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des réalisations connues en proposant un système simple et fiable permettant de régler la position de la tête de coupe d'un tunnelier par rapport à l'axe du bouclier.
  • L'invention vise ainsi un tunnelier comprenant un bouclier cylindrique portant une tête de coupe en forme de disque montée en rotation suivant un axe parallèle à celui du bouclier, la tête de coupe comportant sur sa face adjacente au bouclier une partie annulaire centrée sur l'axe de la tête de coupe, le diamètre de cette dernière étant supérieur à celui du bouclier.
  • Suivant l'invention, ce tunnelier est caractérisé en ce qu'entre ladite partie annulaire de la tête de coupe et une surface interne cylindrique de l'extrémité du bouclier est intercalé au moins une bague dont le profil intérieur est un cercle centré sur l'axe de la tête de coupe et le profil extérieur formant excentrique est un cercle dont le centre est décalé par rapport à l'axe de la tête de coupe.
  • La bague à profil extérieur formant excentrique intercalée entre la partie annulaire de la tête de coupe et la surface interne du bouclier permet de décaler l'axe de la tête de coupe par rapport à l'axe du bouclier.
  • En réglant la position de la bague de façon appropriée par rapport à la tête de coupe, le décalage précité peut être tel que la génératrice inférieure de la tête de coupe soit situé sur la génératrice inférieure du bouclier.
  • De ce fait, lors de la rotation de la tête de coupe, celle-ci réalise une surcoupe du terrain vers le haut du tunnel, pour réduire les frottements du tunnelier par rapport au terrain lors de sa progression.
  • Par ailleurs, cette bague constitue un moyen de réglage du décalage entre les deux axes ci-dessus, extrêmement fiable, contrairement aux vérins et rotules utilisés dans les réalisations connues.
  • Selon une version avantageuse de l'invention, entre ladite partie annulaire de la tête de coupe et la surface interne de l'extrémité du bouclier sont intercalées deux bagues emboîtées l'une dans l'autre, ces deux bagues définissant trois cercles, dont un premier cercle centré sur l'axe de la tête de coupe, un deuxième cercle commun aux deux bagues dont le centre est décalé par rapport au centre de la tête de coupe, et un troisième cercle, en contact avec la surface interne cylindrique de l'extrémité du bouclier dont le centre est également décalé par rapport aux centres des premier et deuxième cercles.
  • Selon une version préférée de l'invention, les deux bagues coopèrent avec des moyens qui permettent de régler par rotation leur position angulaire par rapport à la tête de coupe et l'une par rapport à l'autre.
  • Grâce à cette disposition, ces bagues permettent de régler la position de l'axe de la tête de coupe par rapport à celui du bouclier, pour compenser l'usure de la tête de coupe et pour réaliser une surcoupe du terrain permettant d'inscrire le tunnelier dans une courbe.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
  • Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs :
    • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un tunnelier conforme à l'invention,
    • la figure 2 est une vue schématique en plan montrant la position des deux bagues excentriques par rapport à la tête de coupe,
    • la figure 3A est une vue schématique en plan montrant la position des deux bagues excentriques par rapport à la tête de coupe et au bouclier, lorsque les outils de coupe de la tête sont neufs et que le tunnelier progresse en ligne droite,
    • la figure 3B est une vue en coupe longitudinale correspondant à la figure 3A,
    • la figure 4A est une vue analogue à la figure 3A, montrant la position des deux bagues lorsque les outils de coupe sont usés,
    • la figure 4B est une vue en coupe longitudinale correspondant à la figure 4A,
    • la figure 5A est une vue analogue à la figure 3A, montrant la position des deux bagues lorsque l'on veut réaliser une surcoupe à droite avec des outils de coupe neufs,
    • la figure 5B est une vue en coupe longitudinale correspondant à la figure 5A,
    • la figure 6A est une vue analogue à la figure 5A, montrant la position des deux bagues lorsqu'on veut réaliser une surcoupe à droite avec des outils usés,
    • la figure 6B est une vue en coupe longitudinale correspondant à la figure 6A,
    • la figure 7 est une vue en perspective éclatée d'un organe de liaison entre le support de la tête et une butée,
    • la figure 8 est un schéma illustrant une variante de réalisation.
  • Dans la réalisation de la figure 1, le tunnelier conforme à l'invention comprend un bouclier 1 présentant une jupe extérieure cylindrique 2 engagée dans le tunnel cylindrique 3 en cours de forage.
  • L'extrémité du bouclier présente une arête circulaire vive 4. En arrière de cette arête 4, le bouclier 1 présente une protubérance annulaire 5 faisant saillie radialement vers l'axe X-X′ du bouclier 1.
  • A une certaine distance de cette protubérance 5, un revêtement constitué d'éléments en béton 6 a été mis en place à l'intérieur du tunnel. Entre le bord avant du revêtement 6 et la protubérance annulaire 5 s'étendent des vérins 7 exerçant une poussée axiale qui fait progresser le bouclier 1 vers l'avant au fur et à mesure de l'avancement du tunnel.
  • A l'avant du bouclier 1 est montée une tête de coupe 8 en forme de disque et portant à sa périphérie des outils de coupe 9 susceptibles de s'user. La face arrière de la tête de coupe 8 comporte une partie annulaire 10, centrée sur l'axe de rotation Y-Y′ de la tête de coupe 8. Autour de cette partie annulaire 10 est montée un support annulaire 11. Entre ce support 11 et la partie annulaire 10 est ménagée une piste circulaire de roulement 12 centrée sur l'axe Y-Y′. A l'opposé de cette piste de roulement 12 vers l'axe Y-Y′, la partie annulaire 10 comporte une couronne dentée 13 sur laquelle sont engrenés des pignons 14 entraînés par des moteurs 15 solidaires du support 11. Dans l'évidement cylindrique de la partie annulaire 10 est engagé un moyeu 16.
  • Le support 11 est solidaire de butées 17 au moyen d'organes de liaison 18 qui seront détaillés plus loin. Les butées 17 sont fixées au bouclier 1 et encaissent les efforts de couple et de poussée.
  • Conformément à la présente invention, entre la partie annulaire 10 de la tête de coupe 8 et la surface interne 5a de la protubérance 5 de l'extrémité du bouclier 1 sont intercalées deux bagues 19, 20 emboîtées axialement l'une dans l'autre. Ces deux bagues 19, 20 définissent (voir figure 2) trois cercles, dont un premier cercle C₁ centré sur l'axe Y-Y′ de la tête de coupe 8 et en contact avec la surface extérieure du support 11, un deuxième cercle C₂ commun aux deux bagues 19, 20 dont le centre O est décalé par rapport à l'axe Y-Y′ de la tête de coupe 8, et un troisième cercle C₃ en contact avec la surface interne cylindrique 5a de l'extrémité du bouclier dont le centre O₁ est également décalé par rapport aux centres Y-Y′ et O des premier et deuxième cercles C₁, C₂.
  • Les deux bagues 19, 20 coopèrent avec des moyens qui permettent de régler par rotation, leur position angulaire par rapport à la tête de coupe 8 et l'une par rapport à l'autre.
  • Les bagues 19, 20 comprennent chacune à leur bord opposé à la tête de coupe 8 une collerette 19a, 20a.
  • L'extrémité du support 11 adjacente aux butées 17 comporte une collerette 11a qui recouvre en partie l'arrière de la bague 19. Cette dernière comporte elle-même une collerette 19a qui recouvre en partie l'arrière de la bague 20 qui comporte également une collerette 20a qui recouvre en partie le bord adjacent de la surface cylindrique 5a. Ces différentes collerettes transmettent la poussée de la tête jusqu'aux butées 17.
  • Par ailleurs, les deux bagues 19, 20 coopèrent avec des moyens qui permettent de régler par rotation leur position angulaire par rapport à la tête de coupe 8.
  • Ces moyens peuvent être constitués par des moteurs entraînant en rotation (voir figure 2) des roues dentées 21, 22 engrenées avec des couronnes ou secteurs dentés 23, 24 solidaires des bagues 19, 20.
  • Les figures 2, 3A et 3B montrent la position des bagues 19, 20 lorsque les outils de coupe 9 portés par la tête de coupe 8 sont neufs et que le tunnelier progresse en ligne droite.
  • Dans ce cas, les centre O, O₁ des cercles extérieurs C₁, C₃ des deux bagues 19, 20 sont décalés dans la même direction vers le bas, de telle sorte que les génératrices inférieures G₁ et G₂ de la tête de coupe 8 et du bouclier 1 soient confondues.
  • Lors du fonctionnement de la tête de coupe 8, les outils de coupe 9 portés par celle-ci s'usent et engendrent une diminution du diamètre de la tête et du tunnel foré par celle-ci. Pour éviter que l'arête avant 4 s'accroche dans le terrain au niveau de la génératrice G₂ du bouclier 2, il faut rapprocher l'axe Y-Y′ de l'axe X-X′ du bouclier 1 pour amener les génératrices G₁ et G₂ en coïncidence.
  • Les figures 4A et 4B montrent le cas où les outils de coupe 9 portés par la tête de coupe 8 sont usés et que le tunnelier progresse en ligne droite. Dans ce cas, le centre O₁ du cercle extérieur C₃ de la deuxième bague 20 est décalé vers le bas par rapport à l'axe de rotation Y-Y′ de la tête 8 tandis que le centre O du cercle extérieur C₁ de la première bague 19 est décalé vers le haut.
  • Cette position est obtenue en faisant tourner la première bague 19 dans la seconde bague 20 suivant un angle de 180°, ce qui, du fait de son excentricité fait passer son centre O au-dessus du centre Y-Y′ de la tête de coupe.
  • La première bague 19 agit ainsi comme excentrique pour compenser l'usure des outils de coupe 9.
  • La position représentée sur les figures 4A et 4B correspond à une position au-delà de laquelle il n'est plus possible de compenser l'usure des outils de coupe 9 c'est-à-dire de maintenir les génératrices inférieures G₁ et G₂ en coïncidence.
  • Bien entendu, entre les positions extrêmes représentées sur les figures 3A et 4A existent une infinité de positions intermédiaires que l'on adoptera pour compenser progressivement l'usure des outils de coupe.
  • A cet effet, la commande de la rotation de la bague 19 pour maintenir les génératrices inférieures G₁ et G₂ en coïncidence pourrait être asservie à l'usure des outils de coupe qui pourrait elle-même être détectée au moyen de capteurs appropriés.
  • Lorsque l'on veut inscrire le tunnelier dans une courbe, il est nécessaire que la tête de coupe réalise une surcoupe dans le terrain dans la direction de la courbe, c'est-à-dire soit vers la droite soit vers la gauche. L'ampleur de cette surcoupe dépend bien entendu du rayon de la courbe et de la longueur du bouclier. Cette surcoupe est réalisée en décalant l'axe de la tête de coupe 8 soit vers la droite, pour une courbe vers la droite soit vers la gauche, pour une courbe vers la gauche.
  • Les figures 5A et 5B montrent la position des bagues 19 et 20 lorsque les outils de coupe 9 de la tête de coupe 8 sont neufs et que le tunnelier est engagé dans une courbe.
  • Les centres O et O₁ des cercles extérieurs C₂, C₃ des deux bagues 19, 20 sont décalés dans la même direction vers le bas par rapport à l'axe de rotation Y-Y′ de la tête 8 et sont situés sur une droite D formant un certain angle (a) par rapport à un plan horizontal, cette droite étant inclinée vers la direction de la courbe.
  • Ce résultat a été obtenu en faisant tourner de 45° la bague extérieure 20 sur la bague intérieure 19, par rapport à la position indiquée sur la figure 3A.
  • Les figures 6A et 6B montrent la position des bagues 19, 20 lorsque les outils de coupe sont usés et que l'on veut réaliser une surcoupe vers la droite.
  • Les centres O, O₁ des cercles extérieurs C₂, C₃ des deux bagues 19, 20 sont décalés dans la même direction par rapport à l'axe de rotation Y-Y′ de la tête 8 et sont situés sur une droite horizontale D₁ opposée à la direction de la courbe.
  • La position représentée sur la figure 6A est la position extrême au-delà de laquelle il n'est plus possible de compenser l'usure des outils de coupe. Entre les positions représentées sur les figures 5A et 6A existent des positions intermédiaires, obtenues par rotation de la bague 20.
  • Etant donné que l'axe Y-Y′ de la tête de coupe 8 peut occuper diverses positions par rapport à l'axe X-X′ du bouclier 1, il est nécessaire de prévoir entre le support 11 de la tête 8 et les butées 17 solidaires du bouclier 1, des organes de liaison 18 permettant les déplacements de la tête 8 entre les diverses positions ci-dessus, tout en encaissant les efforts de couple et de poussée.
  • Un tel organe de liaison 18 est représenté en perspective éclatée sur la figure 7. Il comprend une partie 25 solidaire d'une butée 17 présentant sur sa face opposée à la butée une nervure 26 engagée dans une gorge complémentaire 27 ménagée dans la face en regard d'une pièce intermédiaire 28. Cette dernière comporte sur sa face opposée une nervure 29 faisant un angle de 90° par rapport à la nervure 26 de la partie 25, engagée dans une gorge complémentaire 30 ménagée sur la face en regard d'une partie 31, solidaire du support 11. Cet organe reprend le principe du clavetage Oldam.
  • D'autres dispositions sont bien entendu possibles, telles que celle représentée sur la figure 8, utilisant deux vérins hydrauliques 32, 33.
  • Bien entendu, des joints d'étanchéité seront disposés entre la partie annulaire 10 et le moyeu 16, en avant de la piste de roulement 12 et de la couronne dentée 13 pour protéger celles-ci à l'égard des matériaux susceptibles de pénétrer dans la partie comprise entre la tête de coupe 8 et l'arête avant 4 du bouclier 1.
  • Lors du fonctionnement du dispositif selon l'invention, la poussée totale engendrée est la somme des composantes suivantes :
    • effort de coupe des outils,
    • poussée hydrostatique sur l'avant de la machine,
    • frottement de la machine sur le terrain et le revêtement.
  • D'autre part, dans le cas d'une machine universelle, les efforts à appliquer sur les molettes, lorsqu'elle travaille en terrains durs, sont très faibles par rapport à la poussée totale possible.
  • Enfin, le roulement de la machine n'est pas toujours capable de reprendre sa poussée totale. Sur les grandes machines, ceci conduirait à un roulement trop coûteux.
  • Il est donc de la plus grande importance de pouvoir surveiller :
    • l'effort sur les outils de coupe,
    • l'effort total sur la tête,
    • le frottement de la machine,
    • la poussée totale.
  • Le dispositif proposé dans la présente invention permet, à l'aide de vérins situés entre les butées 17 et les supports 11, de connaître en permanence la poussée totale appliquée à la tête de coupe uniquement en mesurant leur pression moyenne.
    • Calculs
  • Les grandeurs mesurées sont :
    • PA
    = Pression des fronts
    PR
    = Pression sur les vérins de tête de coupe
    PV
    = Pression sur les vérins de poussée
  • Les éléments de calculs sont :
    • D
    = Diamètre du bouclier
    NV
    = Nombre de vérins de poussée
    DV
    = Diamètre des vérins de poussée
    NR
    = Nombre des vérins de tête de coupe
    DR
    = Diamètre des vérins de tête de coupe
    SR
    = Surface frontale de la tête de coupe exposée à la pression des fronts
    NM
    = Nombre de molettes
    PM
    = Poussée admissible par molette
  • Les grandeurs à calculer sont :
    • PT
    = Poussée totale sur le bouclier
    PTC
    = Poussée totale sur tête de coupe
    PO
    = Poussée sur les outils
    PF
    = Frottement du bouclier
    PM
    = Poussée hydrostatique sur bouclier
  • Les relations sont
    Figure imgb0001
  • Il en résulte donc que ce système permet de régler de façon précise et exacte tous les composants de la poussée de la machine.
  • Il est ainsi possible de ne jamais dépasser les maxis admissibles et de protéger le matériel.
  • Les principaux avantages du tunnelier que l'on vient de décrire sont les suivants :
       Les deux bagues 19, 20 constituent des excentriques qui permettent à la fois de compenser l'usure de la tête de coupe 8 et de réaliser des surcoupes dans le terrain vers la droite ou la gauche pour inscrire le tunnelier dans une courbe.
  • Ces bagues sont des organes mécaniques robustes, simples à réaliser et à commander en rotation, qui de plus sont peu sensibles à l'usure engendrée par les matériaux environnants.
  • Par ailleurs, ces bagues 19, 20 occupent une place relativement réduite dans la partie avant du tunnelier et sont faciles à monter et à démonter.
  • En particulier, ces bagues 19, 20 n'augmentent pas la longueur axiale du tunnelier, contrairement aux réalisations connues, dans lesquelles la tête de coupe est montée sur une rotule.
  • Dans une réalisation simplifiée de l'invention, une seule bague excentrée suffit, si l'on se contente de la compensation de l'usure des outils de coupe.

Claims (11)

  1. Tunnelier comprenant un bouclier cylindrique (2) portant une tête de coupe (8) en forme de disque montée en rotation suivant un axe (Y-Y′) parallèle à celui du bouclier (1), la tête de coupe (8) comportant sur sa face adjacente au bouclier une partie annulaire (10) centrée sur l'axe (Y-Y′) de la tête de coupe, le diamètre de cette dernière étant supérieur à celui du bouclier (1), caractérisé en ce qu'entre ladite partie annulaire (10) de la tête de coupe (8) et une surface interne cylindrique (5a) de l'extrémité du bouclier (2) est intercalé au moins une bague (19) dont le profil intérieur est un cercle (C₁) centré sur l'axe (X-X′) de la tête de coupe et le profil extérieur formant excentrique est un cercle (C₂) dont le centre (O) est décalé par rapport à l'axe (Y-Y′) de la tête de coupe.
  2. Tunnelier conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre ladite partie annulaire (10) de la tête de coupe (8) et la surface interne (5a) de l'extrémité du bouclier (1) sont intercalées deux bagues (19, 20) emboîtées l'une dans l'autre, ces deux bagues définissant trois cercles, dont un premier cercle (C₁) centré sur l'axe (Y-Y′) de la tête de coupe (8), un deuxième cercle (C₂) commun aux deux bagues (19, 20) dont le centre (O) est décalé par rapport au centre (Y-Y′) de la tête de coupe, et un troisième cercle (C₃) en contact avec la surface interne cylindrique (5a) de l'extrémité du bouclier dont le centre (O₁) est également décalé par rapport aux centres des premier et deuxième cercles.
  3. Tunnelier conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les deux bagues (19, 20) coopèrent avec des moyens qui permettent de régler par rotation leur position angulaire par rapport à la tête de coupe (8) et l'une par rapport à l'autre.
  4. Tunnelier conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque les outils de coupe (9) portés par la tête de coupe (8) sont neufs et le tunnelier progresse sur ligne droite, les cercles extérieurs (C₂, C₃) des deux bagues (19, 20) sont décalés dans la même direction vers le bas de telle sorte que les génératrices inférieures (G₁, G₂) de la tête de coupe (8) et du bouclier (2) soient confondues.
  5. Tunnelier conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque les outils de coupe (9) portés par la tête de coupe (8) sont usés et que le tunnelier progresse en ligne droite, le centre (O₁) du cercle extérieur (C₃) de la deuxième bague (20) est décalé vers le bas par rapport à l'axe de rotation (Y-Y′) de la tête (8) tandis que le centre (O) du cercle extérieur (C₂) de la première bague (19) est décalé vers le haut.
  6. Tunnelier conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque les outils de coupe de la tête de coupe sont neufs et que le tunnelier est engagé dans une courbe, des centres (O et O₁) des cercles extérieurs (C₂, C₃) des deux bagues (19, 20) sont décalées dans la même direction vers le bas par rapport à l'axe de rotation (Y-Y′) de la tête (8) et sont situés sur une droite (D) formant un certain angle (a) par rapport à un plan horizontal, cette droite (D) étant inclinée vers la direction de la courbe.
  7. Tunnelier conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lorsque les outils de coupe (9) de la tête de coupe (8) sont usés et que le tunnelier est engagé dans une courbe, les centres (O, O₁) des cercles extérieurs (C₂, C₃) des deux bagues (19, 20) sont décalées dans la même direction par rapport à l'axe de rotation de la tête et sont situés sur une droite horizontale (D₁) opposée à la direction de la courbe.
  8. Tunnelier conforme à l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'entre la première bague (19) et la partie annulaire (10) de la tête de coupe (8) est intercalé un support annulaire (11) en appui contre la partie annulaire de la tête de coupe et contre lequel prennent appui des butées (17) solidaires du bouclier (1).
  9. Tunnelier conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que les bagues (19, 20) comprennent chacune à leur bord opposé à la tête de coupe (8) une collerette (19a, 20a), la collerette (20a) de la deuxième bague (20) étant en butée contre le bord arrière de la surface interne cylindrique (5a) de l'extrémité du bouclier, la collerette (19a) de la première bague (19) étant en butée contre le bord arrière de la deuxième bague (20), le support (11) comportant lui-même sur son bord arrière une collerette (11a) en appui contre les collerettes (19a, 20a) des bagues.
  10. Tunnelier conforme à l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les butées (17) prennent appui contre ledit support (11) par l'intermédiaire d'organes (18) permettant un coulissement relatif perpendiculairement à l'axe (X-X′) du bouclier (2) entre ledit support (11) et lesdites butées (17), tout en encaissant le couple de rotation de la tête de coupe (8).
  11. Tunnelier conforme à l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'entre les butées (17) et le support (11) sont situés des vérins et des moyens sont prévus pour mesurer la pression moyenne de ceux-ci.
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