FR2823792A1 - Tunneling machine comprises front shield supporting fixed outer bearing ring and cutting head connected by arm to inner bearing ring - Google Patents
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Abstract
Description
s 8. La présente invention concerne une machine de creusement d'un tunnels 8. The present invention relates to a tunneling machine
appelée tunnelier, qui comporte une structure mobile de grandes dimensions et nommée bouclier ayant une section sensiblement circulaire dont le diamètre correspond sensiblement au diamètre du tunnel dont on réalise le cre use me nt. Généralement, le bouclier est formé par une enveloppe cylindrique en deux parties, une première appelée bouclier frontal et une seconde partie appelée bouclier arrière relié au bouclier frontal par un système d'articulations flottantes pour autoriser les mouvements relatifs de faibles amplitudes. Le bouclier frontal porte une tête de coupe qui vient en contact avec le front de taille pour réaliser le découpage de la formation géologique traversée par le tunnel et qui se présente sous la forme d'un plateau circulaire de called tunnel boring machine, which has a large mobile structure and called a shield having a substantially circular section, the diameter of which corresponds substantially to the diameter of the tunnel of which the cre use me nt is produced. Generally, the shield is formed by a cylindrical envelope in two parts, a first called front shield and a second part called rear shield connected to the front shield by a system of floating joints to allow relative movements of small amplitudes. The front shield carries a cutting head which comes into contact with the cutting face to cut the geological formation traversed by the tunnel and which is in the form of a circular plate of
diamètre légèrement supérieur à celui du bouclier. diameter slightly greater than that of the shield.
La tête de coupe est équipée d'un ensemble d'outils constitués par exemple par des molettes ou des outils rabots ou autres en fonction de la The cutting head is equipped with a set of tools constituted for example by knurling wheels or planing or other tools depending on the
nature du terrain traversé.nature of the land crossed.
L'abattage du terrain est obtenu par la rotation de la tête de coupe The felling of the ground is obtained by the rotation of the cutting head
et simultanément par une poussée de cette tête de coupe contre le front de taille. and simultaneously by pushing this cutting head against the cutting face.
Le bouclier frontal supporte par l'intermédiaire d'une virole concentrique audit bouclier et d'un botier de motorisation, une bague extérieure fixe d'un roulement concentrique à la virole et la tête de coupe est reliée par The front shield supports via a concentric ferrule to said shield and a motor housing, a fixed outer ring of a bearing concentric with the ferrule and the cutting head is connected by
l'intermédiaire de bras de liaison avec une bague intérieure de ce roulement. via link arms with an inner ring of this bearing.
Le rôle de la virole est de transmettre l'effort de la tête de coupe sans que les déformations provenant du bouclier frontal aient une influence The role of the ferrule is to transmit the force of the cutting head without the deformations coming from the front shield having an influence
quelconque sur le roulement.any on the bearing.
Lors du déplacement en translation et en rotation de la tête de coupe, cette tête de coupe subit des efforts qui sont différents selon la nature du terrain traversé et selon l'homogénéité du front de taille. Les efforts transmis par la tête de coupe au roulement sont de trois types: - poids propre de la tête de coupe, - effort de pénétration des outils de travail suivant le type de terrain rencontré, et During the translational and rotational movement of the cutting head, this cutting head undergoes forces which are different depending on the nature of the ground crossed and according to the uniformity of the cutting face. The forces transmitted by the cutting head to the bearing are of three types: - dead weight of the cutting head, - penetration force of the working tools according to the type of terrain encountered, and
- frottement du terrain sur la structure de la tête de coupe. - friction of the ground on the structure of the cutting head.
Ces efforts sont intégralement retransmis au roulement disposé entre le bouclier frontal et la tête de coupe. Avec un front de taille homogène, la charge sur la tête de coupe est centrée et de ce fait le moment de basculement induit par la tête de coupe n'est dû qu'au poids de cette dernière. Avec un front de taille très hétérogène, c'est à dire par exemple avec un terrain dur en bas et meuble en haut, la charge sur la tête de coupe est excentrée et le moment de basculement induit par la tête These forces are fully transmitted to the bearing arranged between the front shield and the cutting head. With a uniform cutting face, the load on the cutting head is centered and therefore the tilting moment induced by the cutting head is only due to the weight of the latter. With a very heterogeneous cutting face, that is to say for example with hard ground at the bottom and loose at the top, the load on the cutting head is eccentric and the tilting moment induced by the head
de coupe est important.cutting is important.
Jusqu'à présent, le pilote de la machine de creusement dispose de certaines informations, comme par exemple la poussée générale de la machine, la pression sur la cloison frontale du bouclier, la tranée du bouclier arrière et la traction du train suiveur de la machine. Ces informations lui Until now, the pilot of the digging machine has certain information, such as the general thrust of the machine, the pressure on the front bulkhead of the shield, the trench of the rear shield and the traction of the train behind the machine. . This information
permettent d'estimer la répartition des efforts de poussée dans la machine. used to estimate the distribution of thrust forces in the machine.
Mais, le pi lote n e dispose pas en temps réel d 'i nformations su r les contraintes réellement appliquées sur la tête de coupe et celles dues au frottement du bouclier frontal si bien qu'il peut enclencher des man_uvres inappropriées entranant sur cette tête de coupe et par conséquent sur le roulement disposé entre cette dernière et le bouclier frontal, des efforts trop importants pouvant avoir des conséquences graves sur la tenue de ces éléments. L'invention a pour but de conna^'tre exactement la répartition des However, the pilot does not have in real time information on the stresses actually applied to the cutting head and those due to the friction of the front shield so that it can trigger inappropriate maneuvers entraining on this cutting head and therefore on the bearing disposed between the latter and the front shield, excessive efforts can have serious consequences on the holding of these elements. The object of the invention is to know exactly the distribution of
efforts de poussée et donc d'éviter ces inconvénients. pushing efforts and therefore avoid these drawbacks.
L'invention a donc pour objet une machine de creusement d'un tunnel, du type comprenant, d'une part, un bouclier frontal circulaire supportant par l'intermédiaire d'une virole concentrique audit bouclier et d'un bo^rtier de motorisation, une bague extérieure fixe d'un roulement concentrique à la virole et, d'autre part, une tête de coupe munie d'outils de travail et reliée par l'intermédiaire de bras de liaison à une begue intérieure dudit roulement, le bouclier frontal et la tête de coupe étant déplaçables en translation axialement au tunnel à creuser et cette tête de coupe étant dépla,cable en translation, caractérisoe en ce qu'elle comporte des moyens de mesure en temps récl des efforts exercés sur la tête de coupe pendant son déplacement en translation et en rotation et une unité de traitement et de transmission des informations transmises par lesdits moyens de mesure, à un système de pilotage de ladite The subject of the invention is therefore a machine for digging a tunnel, of the type comprising, on the one hand, a circular front shield supporting via a ferrule concentric with said shield and a motorized housing. , a fixed outer ring of a bearing concentric with the ferrule and, on the other hand, a cutting head provided with working tools and connected by means of link arms to an inner leg of said bearing, the front shield and the cutting head being displaceable in translation axially to the tunnel to be dug and this cutting head being displaced, cable in translation, characterized in that it comprises means for measuring in real time the forces exerted on the cutting head during its displacement in translation and rotation and a unit for processing and transmitting the information transmitted by said measuring means, to a control system for said
machine de creusement.digging machine.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de mesure sont formés par au moins trois capteurs répartis sur au moins une méridienne de la virole, - les capteurs sont au nombre de huit, - les capteurs sont répartis symétriquement sur ladite méridienne de la virole, - chaque capteur est placé dans un logement cylindrique transversal ménagé dans la virole, - chaque capteur est formé par un manchon cylindrique obturé à chaque extrémité et comportant au moins quatre tétons en relief en contact avec la paroi interne du logement et répartis à 90 les uns des autres sur la périphérie dudit manchon, - lesdits tétons sont disposés dans la partie médiane du manchon cylindrique, - un joint d'étanchéité est interposé entre le manchon et la paroi According to other characteristics of the invention: - the measuring means are formed by at least three sensors distributed over at least one meridian of the shell, - the sensors are eight in number, - the sensors are distributed symmetrically on said meridian of the shell, - each sensor is placed in a transverse cylindrical housing formed in the shell, - each sensor is formed by a cylindrical sleeve closed at each end and comprising at least four raised studs in contact with the internal wall of the housing and distributed at 90 from each other on the periphery of said sleeve, - said pins are arranged in the middle part of the cylindrical sleeve, - a seal is interposed between the sleeve and the wall
interne de l'alésage, à chaque extrémité dudit manchon. internal of the bore, at each end of said sleeve.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appara^'tront Other characteristics and advantages of the invention will appear.
au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et during the description which follows, given solely by way of example and
faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une machine de creusement conforme à l'invention, - la Fig. 2 est une vue schématique en perspective d'une virole de liaison entre un bouclier frontal et une tête de coupe de la machine de creusement conforme à l'invention, - la Fig. 3 est une vue en coupe axiale d'un capteur de mesure des efforts appliqués sur la tête de coupe de la machine de creusement conforme made with reference to the accompanying drawings, in which: - FIG. 1 is a schematic view in axial section of a digging machine according to the invention, - FIG. 2 is a schematic perspective view of a connecting ferrule between a front shield and a cutting head of the digging machine according to the invention, - FIG. 3 is an axial section view of a sensor for measuring the forces applied to the cutting head of the conforming digging machine
à l'invention.to the invention.
Selon la Fig. 1, on a représenté schématiquement une machine de creusement 1, appelée tunnelier, et qui se compose, de manière classique, d'une enveloppe généralement cylindrique en deux parties indépendantes, une première partie 3 appelée bouclier avant ou bouclier frontal et une seconde partie According to FIG. 1, a digging machine 1 is schematically represented, called a tunnel boring machine, and which is made up, in a conventional manner, of a generally cylindrical envelope in two independent parts, a first part 3 called the front shield or front shield and a second part
appelée bouclier arrière.called rear bumper.
Le bouciler frontal 3 porte une tête de coupe 4 qui vient en contact avec le front de taille A pour réaliser le découpage de la formation géologique traversée par le tunnel et qui se présente sous la forme générale d'un plateau The front brow 3 carries a cutting head 4 which comes into contact with the size A front to cut the geological formation traversed by the tunnel and which is in the general form of a plate
circulaire de diamètre légèrement supérieur à celui du bouclier frontal 3. diameter slightly larger than that of the front shield 3.
La tête de coupe 4 est entranée en rotation par au moins un moteur, non représenté, à une vitesse déterminée qui est fonction de la nature du terrain à creuser et cette tête de coupe 4 porte, sur sa face avant, des outils de travail constitués par exemple par des molettes ou des outils rabots ou autres, en The cutting head 4 is rotated by at least one motor, not shown, at a determined speed which depends on the nature of the ground to be dug and this cutting head 4 carries, on its front face, working tools made up for example by knurling wheels or planing or other tools, in
fonction de la nature du terrain traversé. depending on the nature of the terrain crossed.
De manière classique, le bouclier arrière 2 et le bouclier frontal 3 sont reliés l'un à l'autre par un ensemble d'articulations flottantes qui autorisent les mouvements angulaires et de translation de ce bouclier frontal 3 par rapport audit bouclier arrière 2. Ces articulations flottantes sont constituées par des vérins hydrauliques 6 qui assurent également la traction du bouclier arrière 2 par Conventionally, the rear shield 2 and the front shield 3 are connected to each other by a set of floating articulations which allow the angular and translational movements of this front shield 3 relative to said rear shield 2. These floating joints are constituted by hydraulic cylinders 6 which also provide traction for the rear bumper 2 by
le bouclier frontal 3 lors de l'avance de la machine de creusement 1. the front shield 3 when advancing the digging machine 1.
La machine de creusement 1 comporte aussi des moyens 7 de déplacement axial de l'ensemble constitué par le bouclier arrière 2, le bouclier frontal 3 et la tête de coupe 4, un dispositif 8 de pose de voussoirs 9 à l'intérieur du tunnel et un transporteur à vis ou une bande transporteuse, non représenté, destiné à l'évacuation vers l'arrière de la machine de creusement du matériau excavé. Les moyens 7 de déplacement axial du bouclier frontai 3 ainsi que du bouclier arrière 2 et de la tête de coupe 4 sont formés par une couronne de vérins 7a solidaires du bouclier frontal 3 et qui viennent en appui contre l'anneau s de voussoirs 9 posés à l'intérieur du tunnel de façon à exercer sur le bouclier The digging machine 1 also comprises means 7 for axial displacement of the assembly constituted by the rear shield 2, the front shield 3 and the cutting head 4, a device 8 for laying segments 9 inside the tunnel and a screw conveyor or a conveyor belt, not shown, intended for the rearward evacuation of the excavating machine from the excavated material. The means 7 for axial displacement of the front shield 3 as well as of the rear shield 2 and of the cutting head 4 are formed by a ring of jacks 7a integral with the front shield 3 and which come to bear against the ring s of segments 9 placed inside the tunnel so as to exert on the shield
frontal 3 la poussée nécessaire à l'excavation du terrain traversé. frontal 3 the thrust necessary for the excavation of the ground crossed.
Les variations de direction de la tête de coupe 4 sont obtenues Variations in the direction of the cutting head 4 are obtained
par des écarts de poussée entre les différents vérins 7a. by thrust differences between the different cylinders 7a.
La tête de coupe 4 mobile en rotation est reliée au bouclier frontal 3 fixe en rotation par l'intermédiaire d'un roulement désigné dans son ensemble The cutting head 4 movable in rotation is connected to the front shield 3 fixed in rotation by means of a bearing designated as a whole
par la référence 10.by reference 10.
A cet effet, le bouclier frontal 3 circulaire supporte, par l'intermédiaire d'une virole 15 concentrique audit bouclier frontal 3 et d'un bo^tier de motorisation 16, une bague extérieure 11 du roulement 10 disposé To this end, the circular front shield 3 supports, by means of a ferrule 15 concentric with said front shield 3 and a motor housing 16, an outer ring 11 of the bearing 10 disposed
concentriquement à ladite virole 15. concentrically with said shell 15.
La tête de coupe 4 est reliée par l'intermédiaire de bras de liaison The cutting head 4 is connected by means of link arms
17 à une bague intérieure 12 dudit roulement 10. 17 to an inner ring 12 of said bearing 10.
Ainsi, la partie avant 15a de la virole 15 est reliée, par exemple par soudage, au bouclier frontal 3 et la partie arrière 15b de cette virole 15 est reliée, par exemple par soudage, au bo'^tier de motorisation 16 et le bouclier frontal 3, la virole 15 et le roulement 10 sont disposés concentriquement les uns Thus, the front part 15a of the ferrule 15 is connected, for example by welding, to the front shield 3 and the rear part 15b of this ferrule 15 is connected, for example by welding, to the motorized housing 16 and the shield front 3, the ferrule 15 and the bearing 10 are arranged concentrically
par rapport aux autres, ainsi que représenté à la Fig. 1. relative to the others, as shown in FIG. 1.
La structure mécanosoudée du bo^tier de motorisation 16 est suffisamment rigide pour permettre le bon fonctionnement du roulement 10 en garantissant un plan d'appui indéformable pour la piste principale de ce The mechanically welded structure of the motorized housing 16 is rigid enough to allow the proper functioning of the bearing 10 while guaranteeing a non-deformable support plane for the main track of this
roulement 10.bearing 10.
Lors du dépiacement en rotation et en translation de la tête de coupe 4, les efforts transmis par cette tête de coupe 4 au roulement 10 sont de trois types: - poids propre P de la tête de coupe 4, - effort de pénétration Fc des outils de travail de la tête de coupe 4 selon le type de terrain rencontré, et During the screening in rotation and in translation of the cutting head 4, the forces transmitted by this cutting head 4 to the bearing 10 are of three types: - self-weight P of the cutting head 4, - penetration force Fc of the tools working the cutting head 4 according to the type of terrain encountered, and
- frottement du terrain sur la structure de ladite tête de coupe 4. - friction of the ground on the structure of said cutting head 4.
Les grandeurs de ces efforts sont différents suivant le type de The magnitudes of these efforts are different depending on the type of
terrain rencontré.land encountered.
Pour permettre au pilote de la machine de creusement 1 de disposer en temps réel d'informations sur les contraintes réellement appliquées sur la tête de coupe 4, lui permettant d'optimiser la poussée et donc l'avance de cette machine de creusement 1, ladite machine de creusement 1 comporte des moyens de mesure des efforts exercés sur la tête de coupe 4 pendant son déplacement en translation et en rotation et une unité de traitement des mesures reçues desUits moyens de mesure et de transmission des informations à un To allow the pilot of the digging machine 1 to have real time information on the stresses actually applied to the cutting head 4, allowing him to optimize the thrust and therefore the advance of this digging machine 1, said digging machine 1 comprises means for measuring the forces exerted on the cutting head 4 during its movement in translation and in rotation and a unit for processing measurements received from said means for measuring and transmitting information to a
système de pilotage de la machine de creusement 1. control system of the digging machine 1.
A cet effet, la virole 15 représentée en perspective à la Fig. 2, est équipée de ces moyens de mesure qui sont formés par au moins trois capteurs répartis sur au moins une méridienne de ladite virole 15. De préférence, les capteurs sont au nombre de huit répartis sur au moins une méridienne de la To this end, the ferrule 15 shown in perspective in FIG. 2, is equipped with these measuring means which are formed by at least three sensors distributed over at least one meridian of said ferrule 15. Preferably, there are eight sensors distributed over at least one meridian of the
virole 15 de manière symétrique ou non. ferrule 15 symmetrically or not.
La virole 15 de supportage de l'ensemble constitué par le botier de motorisation 16 et la tête de coupe 4 sert de corps d'épreuve pour la mesure des efforts provenant de cette tête de coupe 4. Du fait de son épaisseur et de sa longueur, cette virole 15, située en aval du roulement 10, permet en effet de découpler les efforts provenant de la tête de coupe 4 et ceux provenant du The ferrule 15 for supporting the assembly constituted by the motor housing 16 and the cutting head 4 serves as a test body for measuring the forces coming from this cutting head 4. Because of its thickness and its length , this ferrule 15, located downstream of the bearing 10, in fact makes it possible to decouple the forces coming from the cutting head 4 and those coming from the
bouclier frontal 3.front shield 3.
Ainsi que représenté à la Fig. 3, chaque capteur 20 est placé As shown in FIG. 3, each sensor 20 is placed
dans un logement cylindrique 15a radial ménagé dans la virole 15. in a cylindrical housing 15a radial formed in the shell 15.
Par ailleurs, chaque capteur 20 est formé par un manchon 21 de diamètre extérieur inférieur au diamètre du logement 15a et obturé à chacune de ses extrémités par un couvercle 22. Le manchon 21 comporte au moins quatre tétons 23 en relief et en contact avec la paroi interne de logement 15a. De Furthermore, each sensor 20 is formed by a sleeve 21 with an outside diameter less than the diameter of the housing 15a and closed at each of its ends by a cover 22. The sleeve 21 comprises at least four pins 23 in relief and in contact with the wall. internal housing 15a. Of
préférence, les tétons 23 sont disposés dans la partie médiane du manchon 21. preferably, the pins 23 are arranged in the middle part of the sleeve 21.
Ces tétons 23 en relief et en contact avec la paroi interne du logement 15a sont répartis à 90 les uns des autres sur la périphérie du manchon 21 et permettent la détermination des déformations du logement 15a lors de These pins 23 in relief and in contact with the internal wall of the housing 15a are distributed 90 from each other on the periphery of the sleeve 21 and allow the determination of the deformations of the housing 15a during
I'application d'efforts la tête de coupe 4. Applying forces to the cutting head 4.
Le manchon 21 de chaque capteur de mesure 20 est usiné en acier inoxydable et un joint d'étanchéité 24 est interposé entre le manchon 21 et la paroi interne du logement 15a, à chaque extrémité dudit manchon. Chaque capteur de mesure 20 est relié à une unité de traitement par des fils dont les traversées au niveau de chaque logement 1 5a sont réalisées par des The sleeve 21 of each measurement sensor 20 is machined from stainless steel and a seal 24 is interposed between the sleeve 21 and the internal wall of the housing 15a, at each end of said sleeve. Each measurement sensor 20 is connected to a processing unit by wires, the crossings of which at each housing 15a are produced by
connecteurs étanches.waterproof connectors.
S Chaque capteur de mesure 20 mesure les déformations sous charge du logement circulaire radial 1 5a correspondant et les informations recucillies par l'ensemble des capteurs de mesure 20 sont traitées mathématiquement et permettent de calculer l'effort de poussée axiale et le moment de basculement de la tête de coupe 4 en un point formé par le centre du cercle d'installation des différents capteurs de mesure. Ces informations sont primordiales dans le calcul de la tenue en fatigue du roulement 10 et sont transmises en temps réel à un système de pilotage de ia machine de creusement 1. La mesure exacte des efforts repris par le roulement 10 permet donc d'optimiser les paramètres de conduite de la machine de creusement 1 afin S Each measurement sensor 20 measures the deformations under load of the corresponding circular circular housing 1 5a and the information gathered by all of the measurement sensors 20 is mathematically processed and makes it possible to calculate the axial thrust force and the tilting moment of the cutting head 4 at a point formed by the center of the installation circle of the various measurement sensors. This information is essential in calculating the fatigue strength of the bearing 10 and is transmitted in real time to a control system of the digging machine 1. The exact measurement of the forces taken up by the bearing 10 therefore makes it possible to optimize the parameters driving the digging machine 1 so
de préserver la durée de vie de ce roulement. to preserve the life of this bearing.
Par ailleurs, la mise à disposition de manière permanente au pilote de la machine de creusement des efforts engendrés sur la tête de coupe lui Furthermore, the permanent provision to the pilot of the digging machine of the forces generated on the cutting head him
permet d'optimiser la poussée et donc l'avance de ladite machine de creusement. optimizes the thrust and therefore the advance of said digging machine.
Le pilote de la machine de creusement dispose donc, en temps réel, de mesures qui lui permettent par déduction de connatre la part d'efforts de The pilot of the digging machine therefore has, in real time, measurements which allow him, by deduction, to know the share of
poussée qui passe par frottement dans le bouclier frontal. thrust which passes by friction in the frontal shield.
Si cette part augmente de façon significative et soudaine sans pour autant que les efforts sur la tête de coupe soient modifiés, il est possible que le terrain "coince" le bouclier frontal ou qu'il se produise un début d'arcboutement If this share increases significantly and suddenly without the forces on the cutting head being modified, it is possible that the terrain "wedges" the front shield or that a start of bending occurs.
de ce bouclier frontal.of this frontal shield.
Ainsi, le pilote peut, grâce aux mesures en temps réel, modifier les paramètres de fonctionnement de la machine de creusement en fonction du Thus, the pilot can, thanks to real-time measurements, modify the operating parameters of the digging machine according to the
terrain traversé et des problèmes rencontrés. terrain crossed and problems encountered.
Enfin, I'examen et l'enregistrement des efforts sur la tête de coupe permettent sur un chantier de reconna^'tre les changements géologiques Finally, the examination and recording of the forces on the cutting head allow on a site to recognize geological changes
dangereux pour les travaux.dangerous for work.
Une variation de la charge frontale ou de son point d'application A variation of the frontal load or its point of application
permet de reconna^tre l'apparition d'une roche dure dans un sol ou l'inverse. allows to recognize the appearance of a hard rock in a soil or vice versa.
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| FR2823792B1 (en) | 2003-07-25 |
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