FR2486586A1 - Procede et dispositif de congelation du sol - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION A POUR OBJET UN PROCEDE ET UN DISPOSITIF POUR CONGELER LE SOL A L'AIDE D'UN OU PLUSIEURS TUBES DE CONGELATION DISPOSES DANS UN TROU FORE DANS LEQUEL ON INJECTE UN FLUIDE REFROIDI, QUI EST ENSUITE EVACUE APRES ECHANGE INDIRECT DE CHALEUR AVEC LE SOL ENTOURANT LE TUBE. LE DISPOSITIF EST CARACTERISE EN CE QUE LES EXTREMITES DE CHAQUE TUBE DE CONGELATION 1, 2 SONT AGENCEES SOUS LA FORME D'UN APPENDICE TUBULAIRE 3, 5 COMPORTANT UN FILETAGE EXTERIEUR, ET EN CE QUE LES DEUX TUBES DE CONGELATION SUCCESSIFS SONT RELIES PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN MANCHON 7 POUVANT ETRE VISSE SUR LES EXTREMITES DE TUBES, UN DISPOSITIF SEPARATEUR 6 ETANT PLACE SUR LES DEUX TUBES DE CONGELATION 1, 2 DE MANIERE A LES ISOLER L'UN DE L'AUTRE. L'INVENTION S'APPLIQUE AUX TRAVAUX D'EXCAVATION, DE PERCEMENT DE TUNNELS ET ANALOGUES.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONGELATION DU SOL.

La présente invention concerne un procédé de congélation du sol, à l'aide d'un tube de congélation engage dans un trou de forage et dans lequel un fluide refroidi est introduit, puis évacue après échange indirect de chaleur avec le sol entourant le tube de congélation.

Dans des procédés connus de ce type, on realise dans le sol à congeler des trous forés à une certaine distance les uns des autres. Dans les trous forés, on introduit des tubes de congélation qui sont etanches à l'eau et qui sont fermés à leur extrémité engagée dans le sol; on introduit alors dans lesdits tubes un fluide refroidi, par exemple une saumure'ou bien un gaz liquéfié à bas point d'ebullition, tel que de l'azote. Celui-ci refroidit progressivement l'eau de fond dans la zone entourant le tube de congélation et la fait geler. Autour des tubes de congélation qui sont disposés en rangées, il se forme des corps congelés de profil cylindrique, qui se recoupent au cours du temps et qui créent une enveloppe porteuse et etanche à l'eau de la zone délimitée par les tubes de congélation.

Pour réaliser un corps congele sur une grande distance, il existe différentes alternatives: dans un cas, on fore les trous aussi loin que le permet la technique de forage et on introduit des tubes de congélation de longueurs correspondantes. Le corps congelé est par conséquent formé sur toute la profondeur de forage, bien que les travaux suivants, par exemple l'opération d'extraction, ne puissent progresser que lentement et qu'il suffirait pour cela initialement d'un corps congelé sensiblement plus court. Pourla formation et l'entretien d'un corps congelé de grande longueur, il est nécessaire -notamment lorsqu'on utilise comme fluide des gaz liquéfiés à bas point d'ebullition- de dépenser une grande quantité d'énergie, ce qui se traduit par des frais élevés.Dans un autre cas, onfore progressivement des trous qui sont assez courts par rapport à la distance qu'il est possible d'obtenir avec les techniques de forage et on met en place des tubes de congélation ayant une courte longueur correspondante. On obtient evidemment dans ce cas un corps congelé qui est court, de sorte qu'on économise de l'énergie, mais cependant, des dépenses de forage échelonné des trous sont très élevées.

L'invention a en conséquence pour but de fournir un procédé à l'aide duquel on puisse realiser un corps congelé en dépensant le nioins possible d'énergie tout en opérantle plus rationnellement possible en ce qui concerne la technique de forage.

Ce probleme est résolu selon l'invention en ce que le tube de congélation est divisé, avant la mise en place dans le sol, à l'aide de cloisonnements en plusieurs tronçons, et en ce que le fluide, apres la mise en place des tubes de congélation, est initialement introduit seulement dans le premier tronçon et est évacue de celui-ci après l'échange de chaleur, puis consécutivement un autre tronçon est libéré et le fluide est introduit dans celui-ci et est canalisé dans les tronçons suivants.

Selon l'invention, on combine les avantages des procedés connus, tout en évitant cependant leurs inconvénients: les trous sont forés aussi loin que le permet la technique de forage, puis les tubes de congélation sont mis en place et leur volume intérieur est divisé en tronçons -partiels à l'aide de plusieurs cloisonnements répartis avantageusement à des distances à peu prés égales.

Malgré les frais réduits de forage et d'installation, il est possible de réaliser un corps congele en plusieurs tronçons et, par conséquent, de diminuer considérablement les dépenses en énergie. Lorsqu'on utilise comme fluide par exemple de l'azote liquide, on enregistre une diminution de la consommation par comparaison à un procédé où le corps congele est formé sur toute la longueur des tubes de congélation, la consommation de fluide étant réduite à peu prés de moitié. Selon l'invention, en fonction de la progression des travaux suivant la congélation du sol, d'autres tronçons sont libérés et à chaque fois un autre cloisonnement est enlevé.

Conformément à un mode avantageux de réalisation de l'invention, le fluide refroidi est initialement introduit dans la zone du tronçon libéré en dernier, c'est-à-dire le tronçon ou encore aucun corps congelé n'a été formé. En conséquence, on doit évacuer de cette zone une plus grande quantité de chaleur que par exemple dans les zones ou on ne doit extraire que la quantité de chaleur nécessaire pour entretenir un corps congelé déjà formé. Dans cette variante du procédé selon l'invention, le fluide est introduit dans la zone du tronçon libéré en dernier à la température la plus basse à laquelle il a été porté par un système de refroidissement, de sorte que cette zone est soumise à un refroidissement particulièrement intense.En fonction de la quantité de fluide introduite par unité de temps, la température du fluide, après l'échange de chaleur dans ce tronçon, est cependant toujours encore suffisamment basse pour poursuivre la formation du corps congelé dans les tronçons, ou tout au moins pour llentre- tenir.

Conformément à une autre caractéristique avantageuse du procedé selon l'invention, l'introduction du fluide est interrompue avant la libération d'un autre tronçon et le cloisonnement est ouvert et/ou éliminé par découpage, puis on injecte du fluide refroidi dans le tronçon liberé.

De cette manière, on libere un tronçon avec peu de travail. La mise en pratique de ce procédé nécessite peu de temps, de sorte que le corps congelé déjà formé ne subit aucune altération sensible pendant la durée d'interruption du refroidissement.

Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est avantageux d'utiliser, à la place d'un seul tube de congélation, plusieurs éléments de tube de congélation correspondant à la longueur des tronçons désirés.

A cet effet, les extrémités de chaque tube de congélation sont agencées sous la forme d'un appendice tubulaire comportant un filetage extérieur et deux tubes successifs sont reliés par I'intermédiaire d'un manchon vissé sur leurs extrémités; on dispose entre les deux tubes de congélation un dispositif séparateur qui les isole l'un de l'autre. Avec cet agencement, il est possible d'installer facilement les dispositifs séparateurs servant de cloisonnements.

Conformément à un autre mode d'application du principe de l'invention, on peut assurer une fermeture particulièrement étanche d'un tronçon en reliant à chaque fois une extrémite d'un tube de congélation, par l'intermédiaire de l'appendice pourvu d'un filetage extérieur, avec un appendice tubulaire en forme de manchon et en utilisant comme dispositif séparateur un chapeau d'obturation pouvant être engagé sur cet appendice tubulaire en forme de manchon et pouvant être relié de façon étanche à celui-ci.

I1 s'est averé particulièrement avantageux que le chapeau d'obturation soit constitué d'un matériau présentant une bonne ténacité dans le froid et comportant un plus grand coefficient de dilatation que le matériau du tube.

il est ainsi possible d'obtenir un effet d'étanchéité particulierement élevé.

Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, les tubes de congélation sont formes d'acier et les chapeaux d'obturation sont formes par exemple de teflon, d'aluminium ou de cuivre. Un dispositif séparateur cons titué de teflon est également particulièrement simple à enlever, par exemple par découpage. Comme outil de découpage, on peut utiliser par exemple un tube chauffé dont une extrémité est agencee sous la forme d'une lame de coupe, et qui peut être introduit et tourné dans le tube de congélation à l'aide d'une barre.

Selon une autre variante du procedé de l'invention, on met en place dans l'ensemble du trou foré un seul tube de congélation et on utilise comme cloisonnements des garnissages.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en evidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin unique annexé qui represente en coupe schématique un exemple de réalisation d'un cloisonnement pour un tube de congélation servant à la mise en pratique du procédé selon l'invention.

Sur le dessin, on a mis en évidence les zones extrêmes de deux tubes de congelation let 2 dont les longueurs correspondent aux tronçons partiels désirés. Le tube de congélation 1 comporte, dans sa zone extrême, deux appendices tubulaires 3et4, l'appendice tubulaire 3 étant pourvu d'un filetage, tandis que l'appendice tubulaire 4, qui est relié à cet appendice tubulaire 3, a une forme de manchon. Sur le tube de congélation 1 en acier, il est prévu un chapeau d'obturation 6, realisé en téflon, dans la zone de l'appendice tubulaire en forme de manchon. Le diametre extérieur de l'appendice tubulaire 4 et le diametre interieur du chapeau d'obturation 6 sont choisis de manière que le chapeau d'obturation puisse être engage correctement sur l'extrémité de tube.Un manchon 7 comportant un filetage interieur 8 est vissé sur le filetage extérieur du tube de congélation 1. Le tube de congélation 2 est relié au tube de congélation 1 ou bien au chapeau d'obturation 6. Le chapeau d'obturation 6 est poussé sur le tube de congélation 1 par le tube de congélation 2, qui comporte dans sa zone extrême 5 un filetage extérieur qui vient se visser dans un filetage intérieur correspondant 9 du manchon 7.

Selon l'invention, plusieurs tubes de congélation sont reliés entre eux de la manière décrite ci-dessus de façon à obtenir au total un tube de congélation ayant la même longueur que le trou qui a été foré dans une opération précédente. Lorsque le tube de congélation a été engagé dans le trou foré, on peut commencer le refroidissement et la formation du corps congelé dans la zone du premier tronçon, c'est-à-dire dans la zone du tube de congélation 1.

A cet effet, on introduit un tuyau 10 jusqu'au voisinage immédiat du chapeau d'obturation 6 dans le tube de congélation 1, et on introduit dans ce dernier, par l'intermédiaire du tuyau 10, un fluide qui, dans l'exemple considéré, est de l'azote liquéfié. L'écoulement d'azote liquide est inversé par le chapeau d'obturation 6 et il revient en passant dans la zone située entre le tuyau 10 et le tube de congélation 1. Sous l'effet de l'échange de chaleur avec l'azote liquide, le diamètre extérieur de l'appendice tubulaire 4 en forme de manchon ainsi que le diamètre intérieur du chapeau d'obturation 6 diminuent, le diametre intérieur du chapeau se raccourcissant plus fortement que le diamètre extérieur de l'appendice tubulaire 4. On établit ainsi une obturation étanche du tube de congélation 1.Par contact thermique indirect avec le sol, l'azote liquide se vaporise, au moins partiellement, et extrait de la chaleur du sol.

Lorsqu'un corps congelé suffisant a été formé dans la zone du tube de congélation 1 et lorsque les travaux suivant la formation du corps congelé ont progresse suffisamment, on peut assurer la congélation du tronçon suivant, c est-à-dire la zone correspondant au tube de congélation 2. Dans ce but, on interrompt pendant une courte durée l'introduction d'azote liquide et on sort le tuyau 10 du tube de congélation. A l'aide d'un tube chauffe électriquement, et dont le diamètre extérieur est un peu plus petit que le diametre intérieur du tube de congélation 1 dans la zone de l'appendice tubulaire 4 en forme de manchon, ladite extrémite etant agencée sous la forme d'une lame de coupe, on sectionne le chapeau d'obturation 6 en faisant tourner ledit tube chauffé.Ensuite, on enleve le dispositif de découpage du tube de congélation 1 et on introduit le tuyau 10 dans le tronçon maintenant libéré du tube de congélation 2 jusqu'à son extrémité, qui est également fermée par un chapeau d'obturation. On peut alors reprendre le processus de refroidissement.

L'azote liquide s'écoule maintenant cependant initialement dans la zone du tube de congélation 2 puis, apres échange de chaleur avec le sol entourant le tube de congélation 2, l'azote repasse dans la zone du tube de congélation 1.

La température de l'azote,le cas échéant vaporisé, est cependant encore suffisamment basse pour maintenir ou même continuer à former le corps congele dans la zone du tube de congélation 1.

Dans un exemple de réalisation, il faut effectuer une première congélation d'un tunnel sur une longueur de percement de 30 mètres. D'après le procédé classique, les différents tronçons ont une longueur de 10 mètres car la progression de percement sur cette distance dure environ 14 jours, et le maintien de l'autre fraction de 20 metres se traduirait par une dépense inutile d'énergie. On fore par conséquent des trous de 10 mètres de longueur, on introduit des tubes de congélation, on assure la congélation du sol, puis on les enleve. Ce processus est répeté trois fois.Autrement, il est possible de percer des trous d'une longueur d'environ 30 mètres, de sorte que, d'apres le mode opératoire classique, on doit engager une plus grande dépense de forage au montage car, dans ce cas, les tubes ne peuvent à chaque fois être mis en place que sur une longueur de 10 mètres. Selon l'invention, on met en place un tube de 30 m de longueur, qui est divisé par deux cloisonnements du type défini ci-dessus en tronçons partiels. Lorsque cela est nécessaire, ces cloisonnements sont découpes et on dégage un autre tronçon partiel pour la congélation du sol.

Selon l'invention, il est ainsi possible d'effectuer une congélation partielle qui est adaptée à la progression du percement et qui ne nécessite qu'une fraction du temps de montage classique pour la mise en place des tubes de congélation tout en permettant de réaliser une grande economie d'énergie.

Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de ltesprit de l'invention.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1.- Procédé de congélation du sol, à l'aide d'un tube de congélation engagé dans un trou de forage et dans lequel un fluide refroidi est introduit, puis évacué après échange indirect de chaleur avec le sol entourant le tube de congélation, caractérisé en ce que le tube de congélation est divisé, avant la mise en place dans le sol, à l'aide de cloisonnement en plusieurs tronçons, et en ce que le fluide, après la mise en place des tubes de congélation, est initialement introduit seulement dans le premier tronçon et est évacué de celui-ci après l'échange de chialeur, puis consécutivement un autre tronçon est libéré et le fluide est introduit dans celui-ci et est canalisé dans les tronçons suivants.

2.- Procéde selon la revendication 1, caractérise en ce que le fluide refroidi est d'abord introduit dans le tronçon qui a été libéré en dernier.

3.- Procede selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'introduction du fluide est interrompue avant la libération d'un autre tronçon et en ce que le cloisonnementest sectionne et/ou éliminé par découpage, du fluide refroidi étant ensuite introduit dans le tronçon libéré.

4.- Dispositif pour la mise en oeuvreduprocédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant au moins deux tubes de congélation, caractérisé en ce que les extrémités de chaque tube de congélation (1, 2) sont agencees sous la forme d'un appendice tubulaire (3, 5) comportant un filetage extérieur, et en ce que deux tubes de congélation successifs sont reliés par l'intermédiaire d'un manchon (7) pouvant être vissé sur les extrémités de tubes, un dispositif séparateur (6) étant placé sur les deux tubes de congélation (1, 2) de manière à les isoler l'un de l'autre.

5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque extrémité d'un tube de congélation (1) est reliee, par l'intermédiaire d'un appendice tubulaire (3) pourvu d'un filetage extérieur, avec un appendice tubulaire (4) en forme de manchon, et en ce que le dispositif séparateur (6) est constitué par un chapeau d'obturation pouvant être engagé sur cet appendice tubulaire en forme de manchon (4) et pouvant être relié de façon étanche à celui-ci.

6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le chapeau d'obturation (6) est constitué d'un matériau-tenace dans le froid et présentant un plus grand coefficient de dilatation que le matériau du tube.

7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tube de congélation (1, 2) est forme d'acier et en ce que le chapeau dlobtura tion (6) est formé de téflon, d'aluminium ou de cuivre.

8.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant un tube de congélation, caractérisé en ce que ce tube de congélation est séparé en plusieurs tronçons partiels à l'aide de garnissages.