FR3096463A1 - Tunnelier à confinement équipé d’un dispositif de détection de sol et procédé de détection de sol - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un tunnelier à confinement comprenant une tête de forage du terrain dans lequel s’effectue un perçage de tunnel, lequel tunnelier est équipé d’un dispositif de détection de sol. Ce tunnelier est remarquable en ce que le dispositif de détection de sol est un dispositif de télémétrie par ultrason adapté pour être activé pendant la foration.

Description

Description Titre de l'invention : Tunnelier à confinement équipé d'un dispositif de détection de sol et procédé de détection de sol Domaine technique.

[0001] L'invention a pour objet un tunnelier à confinement équipé d'un dispositif de détection de sol ainsi qu'un procédé de détection de sol.

[0002] L'invention se rapporte au domaine technique des tunneliers (ou machines de creusement) permettant de forer des tunnels.

Elle concerne plus particulièrement des tunneliers à confinement, notamment à pression de boue, à pression d'air ou à pression de terre, permettant de forer des tunnels dans des sols meubles (sable, argile, ..), ou dans des terrains instables (graviers, sables, ...).

Etat de la technique.

[0003] Un tunnelier à confinement comporte généralement, en partie avant, une tête de forage qui assure la foration du ten-ain au moyen d'outils d'abattage qui y sont fixés.

La tête de forage est fixée à l'avant d'un bouclier qui assure la protection du travail d'excavation.

Les matériaux excavés - ou déblais, ou marin - provenant du front de taille, sont transférés dans une chambre d'excavation étanche tout en les maintenant à une pression de confinement suffisante pour résister à la pression exercée par le terrain en place.

Ces déblais sont évacués de la chambre d'excavation par un système d'extraction.

Le bouclier se prolonge à l'arrière par une jupe sous laquelle sont mis en place des anneaux de voussoirs formant le revêtement du tunnel.

100041 Les systèmes de confinement à pression de terre ou à pression de boue ou à air, permettent d'assurer la stabilité du front de taille.

Les systèmes à pression de terre consistent à mettre en pression le marin contenu dans la chambre d'excavation pour équilibrer la pression du terrain.

L'extraction du marin de la chambre d'excavation est assurée par une vis d'extraction, permettant de maintenir la différence de pression entre la pression du terrain régnant dans ladite chambre d'excavation et la pression atmosphérique régnant à l'intérieur du tunnel.

C'est la régulation de l'extraction du marin, en corrélation avec la poussée du tunnelier, qui assure le maintien de la pression dans la chambre d'excavation.

Dans les systèmes à pression de boue, on assure la stabilité du front de taille, par injection d'une boue de forage sous pression (bentonite) dans la chambre d'excavation.

Le maintien de la pression dans la chambre d'excavation est assuré par une adéquation entre les volumes de boue injectée et de marin extrait par marinage hydraulique.

Dans les systèmes à pression d'air, on assure la stabilité du front de taille par injection d'air dans la chambre d'abattage, le maintient de cette pression étant assuré 2 par un système de régulation pneumatique qui compense les fuites d'air dans le terrain.

[0005] Dans des terrains meubles ou instables, des cavités peuvent exister (cavités naturelles ou anthropiques) ou se former (sur-excavation) au niveau du front de taille et au-dessus du bouclier dans la paroi du profil d'excavation.

Ces cavités peuvent s'effondrer ce qui engendre un éboulement qui peut lui-même dégénérer en fontis en se propageant de proche en proche vers la surface.

Les conséquences directes d'un effondrement massif de la cavité en cours de forage sont particulièrement néfastes : effondrement ou tassement du sol en surface, arrêt immédiat de la progression du tunnelier, etc.

[0006] En outre, dans les terrains argileux le marin peut colmater la tête de forage et de fait perturber la foration.

Actuellement, les opérateurs détectent un colmatage de la tête de forage, en constatant une augmentation de la puissance consommée des moteurs qui doivent d'avantage forcer pour mettre en rotation une tête de forage plus lourde.

[0007] Ces risques majeurs sont principalement dus à l'impossibilité de voir en temps réel ce qu'il se passe dans la chambre d'abattage, à la difficulté de comprendre l'ampleur des phénomènes en jeu par la seule lecture des variables machine du tunnelier, celles-ci n'étant que des données qui décrivent indirectement les problèmes.

Aussi, certains tunneliers sont équipés d'un dispositif de détection de sol.

Ces dispositifs permettent de détecter le sol en place destiné à être excavé (massif encaissant) pour repérer des cavités au niveau du front de taille ou autour du bouclier, dans la paroi du profil d'excavation.

[0008] Parmi ces dispositifs de détection de sol, on connait le fontimètre.

Il s'agit d'un outil pour mesurer l'espace annulaire en un point unique du bouclier à l'aide d'une tige érectile.

Le fontimètre permet ainsi de détecter, par contact mécanique avec la paroi du tunnel, des cavités au-dessus du bouclier.

Les principales limites d'un fontimètre sont que ses mesures sont exécutées ponctuellement, à l'arrêt du tunnelier, et entre deux séquences de creusement consécutives, soit plusieurs heures après le début de l'effondrement de la cavité alors qu'il peut falloir moins d'une heure pour faire un fontis.

Cet outil ne permet donc pas d'agir contre les incidents graves de creusement de manière efficiente.

En outre, le fontimètre est généralement adapté pour des mesures dans des sols fermes, la pertinence des mesures étant moindre dans des sols meubles ou instables.

Enfin, le fontimètre est inaptes à détecter un éventuel colmatage de la tête de forage.

[0009] Le document brevet FR3052483 décrit une solution consistant à corréler des données de mesures effectuées sur le tunnelier avec des données de mesures issues de sondage depuis la surface.

Les données de mesures effectuées sur le tunnelier proviennent de capteurs conventionnels (pression, température, densité...) installées notamment sur le boucher.

Le système décrit dans ce document est particulièrement complexe à mettre en oeuvre et nécessite de réactualiser les corrélations à chaque cas de figure, de sorte 3 qu'il est difficile d'obtenir plus que des conclusions relatives.

[0010] Le document brevet FR2995627 décrit un autre dispositif de détection de sol utilisant un système de mesure basé sur la propagation d'ondes mécaniques et électromagnétiques en amont du front de taille.

Cc dispositif est également complexe et onéreux à réaliser et ne fonctionne que lorsque le tunnelier est à l'arrêt.

En outre, il ne permet pas de détecter un éventuellement colmatage de la tête de forage.

[0011] Un objectif de l'invention est de remédier aux inconvénients précités.

Un autre objectif de l'invention est de proposer un dispositif de détection de sol pour tunnelier à confinement, qui soit simple à utiliser, fiable et peu onéreux.

Encore un autre objectif de l'invention est de proposer un dispositif de détection de sol dont la conception lui permet d'être utilisé non seulement pour repérer des sur-excavations ou des vides au niveau du front de taille et/ou autour du bouclier, mais également pour la détection d'un colmatage de la tête de forage.

Un objectif supplémentaire de l'invention est d'équiper un tunnelier à confinement avec un dispositif de détection capable de surveiller en continu le sol, même pendant la foration du tunnel (c'est-à-dire pendant que la tête de coupe tourne et que le tunnelier avance).

Présentation de l'invention.

[0012] La solution proposée par l'invention est un tunnelier à confinement comprenant une tête de forage lequel tunnelier effectue un perçage de tunnel et est équipé d'un dispositif de détection de sol.

Ce tunnelier est remarquable en ce que le dispositif de détection de sol est un dispositif de télémétrie par ultrason adapté pour être activé pendant la foration.

[0013] Le télémètre par ultrason permet maintenant de mesurer en continu et de manière fiable, rapide, précise et peu onéreuse : - la distance qui le sépare du massif encaissant (pour un repérage des sur-excavations ou des vides au niveau du front de taille et/ou dans la paroi du profil d'excavation autour du bouclier) ; - et/ou de la distance qui le sépare des outils d'abattage de la tête de forage (cette distance variant selon que les outils sont colmatés ou pas).

Cette technique de mesure se montre robuste dans l'environnement particulièrement contraigmuit qu'est le creusement d'un tunnel par un tunnelier.

De par la technique employée, les mesures de distance peuvent être réalisées pendant que la tête de forage tourne et que le tunnelier avance, c'est-à-dire de manière continue pendant la foration.

Une analyse en temps réel de ces mesures, permet alors d'adapter de manière quasi-instantanée le pilotage du tunnelier et les paramètres de forage pour se prémunir contre tout événement potentiellement dangereux.

La cadence du tunnelier peut ainsi être accélérée de manière sécurisée, avec un forage optimisé, et des temps d'arrêt réduits.

[0014] D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention sont listées ci-dessous.

Chacune de ces caractéristiques peut être considérée seule ou en combinaison avec les caractéristiques remarquables définies ci-dessus, et faire l'objet, le cas échéant, d'une ou plusieurs demandes de brevet divisionnaires : - Avantageusement, le dispositif de télémétrie par ultrason comporte au moins un transducteur à ultrasons adapté pour émettre une onde ultrasonore vers un obstacle cible et pour réceptionner l'écho de ladite onde réfléchie sur ledit obstacle. - Selon un mode de réalisation, le ou les transducteurs sont des transducteurs piézoélectriques. - Selon un mode de réalisation, le tunnelier comporte une chambre d'excavation disposée à l'arrière de la tête de forage et un bouclier, lequel bouclier présente une paroi externe se prolongeant par une casquette coiffant ladite chambre d'excavation en tout ou partie ; au moins un transducteur est installé sur la casquette de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit de cette paroi, au niveau du front de taille. - Selon un mode de réalisation, un transducteur est installé sur la partie supérieure de la casquette de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit de ladite casquette, dans la partie supérieure du front de taille. - Selon un mode de réalisation, plusieurs transducteurs sont installés sur la circonférence de la casquette, lesquels transducteurs sont répartis sur un secteur angulaire compris entre 180° et 360°. - Selon un mode de réalisation, le tunnelier comporte un bouclier présentant une paroi extérieure ; au moins un transducteur est installé sur la paroi extérieure du bouclier de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit dudit transducteur. - Selon un mode de réalisation, plusieurs transducteurs sont installés longitudinalement dans la partie supérieure de la paroi extérieure du bouclier. - Selon un mode de réalisation, plusieurs transducteurs sont installés sur la circonférence de la paroi extérieure du bouclier, lesquels transducteurs sont répartis sur un secteur angulaire compris entre 180° et 360°. - Selon un mode de réalisation, le tunnelier comporte une chambre d'excavation disposée à l'arrière de la tête de forage, une cloison séparant ladite chambre de l'anière dudit tunnelier ; au moins un transducteur est installé sur la cloison de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur du front de taille et/ou de manière à pouvoir effectuer un tir d'onde ultrasonore dans une ouverture située entre deux bras tournants adjacents de la tête de forage. - Selon un mode de réalisation, plusieurs transducteurs sont installés dans la partie supérieure de la cloison. - Selon un mode de réalisation, le déclenchement de l'émission de l'onde ultrasonore par le transducteur est synchronisé avec la position angulaire des bras de la tête de forage.

[0015] Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de détection de sol depuis un tunnelier à confinement comprenant une tête de forage du terrain dans lequel s'effectue un perçage de tunnel, la détection de sol étant réalisée au moyen d'un dispositif de télémétrie par ultrason activé pendant la foration.

[0016] Selon un mode de réalisation, le procédé consiste à détecter des cavités formées en voûte du tunnel, au niveau du front de taille du tunnelier, lequel tunnelier comporte une chambre d'excavation disposée à l'arrière de la tête de forage et un bouclier présentant une paroi extérieure se prolongeant par une casquette coiffant ladite chambre d'excavation en tout ou partie, ledit procédé comportant les étapes consistant à: - installer au moins un transducteur à ultrasons sur la casquette, - mesurer, au moyen du transducteur, la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit dudit transducteur, au niveau du front de - détecter une cavité par une analyse de la variation de la distance mesurée.

[0017] Selon un mode de réalisation, le procédé consiste à détecter des cavités formées dans la paroi du profil d'excavation située autour d'un bouclier du tunnelier, ledit procédé comportant les étapes consistant à : - installer au moins un transducteur à ultrasons sur une paroi extérieure du bouclier, - mesurer, au moyen du transducteur, la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit dudit transducteur, - détecter une cavité par une analyse de la variation de la distance mesurée.

[0018] Selon le mode de réalisation précité, le procédé comporte une étape consistant à injecter un matériau de remplissage dans la cavité détectée, le volume de matériau injecté étant déterminé en fonction des distances mesurées.

[0019] Selon un mode de réalisation, le procédé consiste à détecter des cavités formées au niveau d'un front de taille foré par le tunnelier, ledit procédé comportant les étapes consistant à : - installer plusieurs transducteurs à ultrasons : -- sur une cloison d'une chambre d'excavation du tunnelier disposée à l'arrière de la tête de forage, laquelle cloison sépare ladite chambre de l'arrière dudit tunnelier, ou -- sur un bras de la tête de forage du tunnelier, - mesurer, au moyen des transducteurs, la distance séparant lesdits transducteurs du front de taille.

[0020] Selon un mode de réalisation, le procédé consiste à détecter du marin qui colmate une ouverture située entre deux bras tournants adjacents de la tête de forage, ledit procédé 6 comportant les étapes consistant à : - installer au moins un transducteur à ultrasons sur une cloison d'une chambre d'excavation du tunnelier disposée à l'arrière de la tête de forage, lequel transducteur est installé en vis-à-vis de ladite tête de forage, - mesurer, au moyen du transducteur, la distance séparant ledit transducteur du marin obstruant ladite ouverture, - comparer cette mesure avec une valeur de référence pour déduire l'état de colmatage de la tête de forage.

Brève description des figures.

[0021] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux dessins annexés, réalisés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs et sur lesquels : [fig.1] illustre un tunnelier à confinement conforme à l'invention, selon un mode de réalisation, [fig.2] illustre un agencement de transducteurs sur la cloison d'un bouclier de tunnelier à confinement, [fig.3] illustre un agencement de transducteurs sur le bouclier d'un tunnelier à confinement, [fig.4] illustre un autre agencement de transducteurs sur le bouclier d'un tunnelier à confinement, [fig.5] illustre une tête de forage d'un tunnelier à confinement, [fig.6a] schématise une mesure de distance entre un transducteur et le front de taille à travers une ouverture non colmatée de la tête de forage, [fig.6b] schématise une mesure de distance entre le transducteur de la figure 6a et le front de taille à travers une ouverture partiellement colmatée de la tête de forage, [fig.6c] schématise une mesure de distance entre le transducteur de la figure 6a et le marin qui colmate complètement une ouverture de la tête de forage, [fig.7] schématise une première mesure de distance entre un premier transducteur et le front de taille et une seconde mesure de distance entre un second transducteur et le marin qui colmate une ouverture de la tête de forage, [fig.8] schématise la connexion de transducteurs d'un télémètre par ultrason à un échosondeur et à une unité de commande, [fig.9] illustre un tunnelier à confinement conforme à l'invention, selon un autre mode de réalisation, [fig.10] illustre un mode de fixation d'un transducteur sur une cloison d'un bouclier de tunnelier à confinement, [fig.11] illustre un mode de fixation d'un transducteur sur la paroi du bouclier.

7 Description des modes de réalisation.

100221 En se rapportant aux figures 1 et 5, un tunnelier T selon l'invention comporte, en partie avant, une tête de forage 1 adaptée pour forer le terrain S dans lequel le tunnelier avance pour creuser un tunnel.

Sur la figure 5, la tête de forage 1 se présente sous la forme d'une roue de coupe comportant des bras 100 tournants et qui, pressée contre le front de taille F. assure la foration du terrain au moyens d'outils d'abattage 10 qui sont fixés sur lesdits bras (molettes qui fissurent et dents qui raclent le front de taille).

La tête de forage 1 est fixée à l'avant d'un bouclier 2.

A l'arrière de la tête de forage 1 se trouve la chambre d'excavation 3 dans laquelle est transféré le marin provenant de l'excavation du front de taille F.

La chambre 3 est alimentée selon le cas (par exemple de la boue, de l'eau, de l'air ou des adjuvants) par un système d'injection 40.

Le marin est évacué de la chambre d'excavation 3 par un système d'extraction 41 (par exemple une vis d'extraction, un circuit de marinage, etc).

Le bouclier 2 se présente avantageusement sous la forme d'une virole métallique qui supporte la tête de forage I.

Une cloison 30 sépare la chambre d'excavation 3 de la partie arrière du tunnelier T et de la partie du tunnel déjà réalisée.

Il peut s'agir de la cloison étanche d'un tunnelier à pression de terre ou de la cloison immergée d'un tunnelier à pression de bouc.

Une chambre à bulle (non représentée) peut être aménagée derrière la chambre d'excavation 3.

Le bouclier 2 garantit la protection et l'étanchéité lors du travail d'excavation du front de taille F et regroupe les systèmes permettant d'extraire le marin, de mettre en rotation la roue de coupe et de faire avancer le tunnelier T.

Les anneaux de voussoirs 5 formant le revêtement du tunnel sont mis en place à l'abri d'une jupe 9 qui se présente avantageusement sous la forme d'une virole articulée sur l'arrière du bouclier 2.

Un système d'injection de mortier (non-représenté) est mis en place à travers la jupe afin de combler les sur-excavations C, de sceller définitivement les anneaux 5 du tunnel dans le terrain S, et donc de garantir la durabilité de l'ouvrage.

Le tunnelier T est pourvu de vérins de poussée 6 qui s'appuient sur la face avant du dernier anneau 5 posé, de manière à exercer un effort de poussée vers l'avant sur la tête de forage i, pendant la foration.

Un train suiveur (non représenté) situé à l'arrière du tunnelier T permet notamment d'approvisionner ledit tunnelier en anneaux 5 et d'évacuer le marin.

[0023] Le tunnelier T est équipé d'un dispositif de détection de sol.

Le sol détecté est : le massif encaissant au niveau du fi-ont de taille, et/ou le massif encaissant au niveau du profil d'excavation, et/ou le marin M colmatant les ouvertures de la tête de forage par effet d'encrassement des outils d'abattage 10.

[0024] Conformément à l'invention, la détection de sol est assurée par un dispositif de té- lémétrie par ultrason (ci-après le « télémètre à ultrason »).

Le télémètre à ultrason comprend un ou plusieurs transducteurs ultrasons jouant simultanément ou dis- 8 tinctement les rôles de projecteur (émission) et d' hydrophonc (réception).

Le transducteur émet un signal acoustique dans les ultrasons lorsqu'il est excité par un signal de commande électrique.

Cette émission du signal acoustique est désignée par le terme de « tir ».

Le retour d'un écho acoustique correspondant à la réflexion de l'onde ultrasonore sur un obstacle cible sera transformé en un signal électrique par le transducteur.

Le temps d'attente entre l'émission du signal acoustique et la réception de l'écho est proportionnel à la distance parcourue par l'onde (aller-retour) entre le transducteur et l'obstacle cible.

[0025] La figure 8 schématise un télémètre comportant plusieurs transducteurs 7a, 7b, 7e.

Le nombre de transducteurs peut par exemple varier de 1 à 20.

Un échosondeur 70 émet les signaux électriques de commande et les transmet aux transducteurs 7a-7c.

Ces signaux sont des impulsions électriques amplifiées de par exemple 500 Volts.

Aussi, il est préférable que la connexion entre l'échosondeur 70 et les transducteurs 7a-7c soit réalisée au moyen d'une connexion filaire, et notamment au moyen de câbles de transducteur 700.

L'échosondeur 70 a également pour fonction de traiter les signaux électriques de mesure transmis par les transducteurs 7a-7c.

Pour ce faire, l'échosondeur 70 pré-amplifie les signaux de mesure reçus et les numérise.

L'échosondeur 70 transmet, par voie filaire ou sans fil, les données de mesure numérisées à une unité de gestion électronique 71 qui calcule les distances.

Cette unité 71 se présente par exemple sous la forme d'un ordinateur comportant les ressources informatiques et logiciels nécessaires au traitement des données numériques pour le calcul des distances.

Selon une variante de réalisation, l'unité de gestion 71 est directement intégrée dans l'échosondeur 70.

Les données de distance peuvent être affichées sur une interface graphique 72 (ex : un écran).

L'échosondeur 70, l'unité de gestion 71 et l'interface graphique 72 sont installés à l'arrière du tunnelier T, par exemple dans une cabine de pilotage.

[0026] La figure 1 illustre un agencement de transducteurs 7a-7c sur le tunnelier T.

Un premier transducteur 7a est installé sur la partie supérieure la casquette 20 du bouclier 2.

Cette casquette 20 est le prolongement de la virole du bouclier 2 qui coiffe la chambre d'excavation 3 en tout ou partie.

Un ou plusieurs deuxièmes transducteurs 7b sont installés sur la paroi du bouclier 2, en retrait de la casquette 20, et éventuellement sur la jupe 9.

Des troisièmes transducteurs 7e sont enfin installés sur la cloison 30 séparant la chambre d'excavation 3 de l'arrière du tunnelier T.

[0027] Les meilleurs résultats en termes de mesures sont obtenus avec des transducteurs 7a-7c piézoélectriques, composés d'une ou plusieurs céramiques.

Dans le contexte particulier de l'invention (conditions (l'utilisation particulièrement contraignantes), ce type de transducteur offre un bon compris en termes de coûts, de robustesse, de plage de fréquences d'émission de l'onde ultrasonore, de rendement (faible consommation 9 électrique) et de rapport signal/bruit.

Le cône d'émission de cc type de transducteur peut être compris entre 2' (directif) et 45' (peu directif).

D'autres types de transducteurs peuvent toutefois être employés tels que des matériaux magnéto-résistifs ou des antennes paramétriques.

[0028] Le premier transducteur 7a installé sur la casquette 20 permet de mesurer la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit de ladite casquette, c'est-à-dire dans la partie supérieure du front de taille F.

Dans des conditions idéales de foration, cette distance varie peu.

Cette distance augmente en présence d'une cavité C (sur-excavation, vide naturel, ...).

Les mesures fournies par le transducteur 7a vont donc permettre de détecter des cavités C formées radialement dans la partie supérieure du front de taille F, c'est-à-dire en voûte du tunnel, des leur apparition.

[0029] Sur les figures 1 et 3, un seul premier transducteur 7a est installé dans la partie su- périeure de la casquette 20.

Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 4, plusieurs premiers transducteurs 7a sont installés sur la circonférence de la paroi de la casquette 20, lesquels transducteurs sont répartis sur un secteur angulaire compris entre 180' (par exemple 5 transducteurs décalés de 36"), et 360' (par exemple 8 transducteurs décalés de 45').

Une analyse des différentes mesures fournies par cet agencement de premiers transducteurs 7a, permettent de déterminer précisément la position et la géométrie du vide annulaire formé radialement par une cavité C, autour du bouclier 2, au niveau du front de taille F.

[0030] Les deuxièmes transducteurs 7b installés sur la paroi extérieure du bouclier 2 et de la jupe 9, permettent de mesurer la distance séparant lesdits transducteurs de la paroi du profil d'excavation située au droit desdits transducteurs, derrière le front de taille F.

Une analyse de la variation de cette distance permet de détecter une cavité C.

Ces deuxièmes transducteurs 7b permettent ainsi de suivre en continu l'évolution de la profondeur des cavités C détectées par le(s) transducteur(s) 7a.

En effet, plus le tunnelier T avance, plus les cavités C s'éloigneront du front de taille F.

Si la profondeur d'une cavité C reste constante ou sensiblement constante, les différentes mesures fournies par ces deuxièmes transducteurs 7b permettrons de déterminer le volume de mortier (ou autre matériau de remplissage) nécessaire à son remplissage lors de la pose des anneaux 5.

Si au contraire la profondeur de la cavité C augmente et devient divergente, avec un risque de fontis, d'autres actions relatives au pilotage du tunnelier T et/ou aux paramètres de forage pourront être initiées rapidement.

[0031] Sur les figures 1 et 3, les deuxièmes transducteurs 7b sont installés longitudinalement dans la partie supérieure de la paroi extérieure du bouclier 2.

Le nombre de deuxièmes transducteurs 7b est par exemple compris entre 1 et 10, ces deuxièmes transducteurs étant alignés avec le(s) premier(s) transducteur(s) 7a.

Les transducteurs 7a et 7b sont par exemple espacés d'une distance comprise entre 20 cm et 1 m.

[0032] Dans le mode de réalisation de la figure 4, plusieurs deuxièmes transducteurs 7b sont installés sur la circonférence de la paroi extérieure du bouclier 2, répartis sur un secteur angulaire compris entre 180' (par exemple des séries de 5 transducteurs décalés de 36°) et 360' (par exemple des séries de 8 transducteurs décalés de 45').

Un agencement similaire de deuxièmes transducteurs 7b est avantageusement prévu sur la paroi extérieure dc la jupe 9.

Les différentes mesures fournies par cet agencement de deuxièmes transducteurs 7b, permettent de contrôler et dc suivre avec précision la géométrie du vide annulaire formé radialement par une cavité C. autour du bouclier 2 et, autour de la jupe 9.

Les mesures réalisées par les transducteurs 7b agencés au niveau de la jupe 9 permettent notamment de fixer le volume de mortier à injecter dans la cavité C pour son remplissage.

[0033] Les troisièmes transducteurs 7e installés sur la cloison 30 permettent notamment de mesurer la distance séparant lesdits transducteurs du front de taille F.

Dans des conditions idéales de foration, cette distance varie peu.

Si une cavité C apparaît dans le front de taille F. cette distance augmente.

Les mesures fournies par les troisièmes transducteurs 7e vont donc permettre de déterminer précisément la géométrie de la face du front de taille F.

La figure 2 montre un agencement préféré de troisièmes transducteurs 7e sur la cloison 30.

Ces troisièmes transducteurs 7e sont installés dans la partie supérieure de la cloison 30, avec une ou plusieurs séries de transducteurs alignés radialement et/ou avec d'autres transducteurs décalés angulairement.

Cette disposition permet de fournir des mesures pour détecter des cavités C qui se forment fi-ontalement dans la partie supérieure du front de taille F, dès leur apparition.

En combinant les mesures des premiers transducteurs 7a (mesures radiales) et des troisièmes transducteurs 7e (mesures frontales), on peut déduire la géométrie précise et l'emplacement en trois dimensions des cavités C.

Selon un mode de réalisation, d'autres troisièmes transducteurs 7e sont également installés dans la partie inférieure de la cloison 30, de manière obtenir une cartographie intégrale de la face du front de taille F (partie supérieure, partie médiane et partie inférieure).

[0034] Les troisièmes transducteurs 7e peuvent également être utilisés pour la détection d'un colmatage des ouvertures de la tête de forage 1 (ouvertures entre deux bras 100 adjacents).

Dans le cas d'un forage dans un massif encaissant S de nature argileuse, le marin sera collant.

Par effet d'encrassement des outils d'abattage 10 (figure 6b), le marin M s'accumule entre les bras radiaux 100 jusqu'à obstruer complètement les ouvertures de la tête de forage (figure 6c).

Ces ouvertures ne peuvent alors plus laisser passer le marin M, qui s'accumule faute d'évacuation.

Ce phénomène grève les performances de forage du tunnelier et peut conduire à un arrêt pur et simple du forage avec obligation d'intervention humaine pour désobstruer manuellement les ouvertures 11 de la tête de forage.

[0035] Sur la figure 5, les outils d'abattage 10 sont fixés sur des bras radiaux 100 qui tournent autour de l'axe de rotation A de la tête de forage 1.

Ces bras 100, et les outils 10, vont donc successivement passer devant les troisièmes transducteurs 7c lors de leur rotation.

Les troisièmes transducteurs 7c sont installés sur la cloison 30, en vis-à-vis de la tête de forage 1.

[0036] La figure 6a illustre un tir d'onde ultrasonore par un troisième transducteur 7c à proximité d'un bras 100 non colmaté par du marin M.

Le tir est préférentiellement réalisé au ras du bras 100.

L'absence de marin M permet à l'onde de se propager jusqu'au front de taille F, de sorte que la mesure de la distance parcourue permet justement de déduire cette absence de marin et d'obtenir une cartographie statique dudit front de taille.

La valeur de cette mesure sert de référence pour déduire l'état de colmatage de la tête de forage 1 (par exemple : propre ; partiellement colmaté ; complètement colmaté, ...).

[0037] La figure 6b illustre un tir d'onde ultrasonore par un troisième transducteur 7c à proximité d'un bras 100 colmaté par du marin M, ledit tir étant préférentiellement réalisé au ras dudit bras, comme sur la figure 6a.

La distance mesurée sera plus faible que dans le cas de la figure 6a du fait de l'épaisseur du marin M accumulé sur ledit bras.

En comparant ces deux valeurs, il est possible de détecter un colmatage du bras 100 et donc un début d'obstruction de l'ouverture étudiée entre deux bras adjacents (tête de forage 1 dans un état « partiellement colmaté »).

[0038] La figure 6c illustre un tir d'onde ultrasonore par un troisième transducteur 7c au milieu d'une ouverture entre deux bras 100 adjacents complètement obstruée par du marin M.

Le tir est ici réalisé au milieu de l'ouverture, et non pas au ras d'un bras 100, car la mesure de la figure 6b a déjà monté un colmatage dudit bras.

On cherche ici à savoir si l'ouverture est complètement obstruée ou pas.

La distance mesurée sera plus faible que dans le cas de la figure 6a du fait de l'épaisseur du marin M accumulé entre lesdits bras.

En comparant ces deux valeurs, il est possible détecter l'obstruction totale de l'ouverture étudiée entre deux bras 100 adjacents (tête de forage 1 dans un état complètement colmaté »).

[0039] Afin de pouvoir anticiper le plus rapidement possible les conséquences d'un colmatage de la tête de forage 1, la mesure de distance par le troisième transducteur 7c est préférentiellement réalisée pendant la foration, alors que les bras 100 sont mis en rotation.

Le tir devant être réalisé à l'instant où l'ouverture ciblée (située entre deux bras 100 adjacents) passe devant le troisième transducteur 7c, la tête de forage 1 est avantageusement équipée d'un codeur angulaire.

Ce codeur est référencé 711 sur la figure 8 et est connecté à l'unité de gestion 71.

Il est adapté pour délivrer une information sur la position angulaire des bras 100.

Cette information est transmise à 12 l'unité de gestion 71 qui déclenchera le tir pour le synchroniser avec la position angulaire d'une ouverture cible.

On peut ainsi réaliser le tir lorsque l'ouverture cible se trouve en face du troisième transducteur 7e.

[0040] La multiplication du nombre de tirs judicieusement répartis au sein d'une même ouverture permet de caractériser l'obstruction totale ou partielle de cette ouverture et de suivre son évolution dans le temps, en fonction notamment du changement de nature géologique du massif encaissant Soudes mesures curatives de lutte contre le colmatage mises en oeuvre par les équipes de forage.

[0041] En se rapportant aux la figures 6a et 6e, un même troisième transducteur 7c peut être utilisé pour détecter une cavité C dans le front de taille F et pour détecter un colmatage de la tête de forage 1.

Les tirs du troisième transducteur 7e sont alors synchronisés avec la position angulaire des bras 100 lors de leur rotation, pour que ledit transducteur effectue : - une première série de tirs déclenchés entre deux bras 100 pour mesurer la distance séparant ledit transducteur du front de taille F. de manière à détecter une cavité C ; - et une seconde série de tirs déclenché entre deux bras 100 adjacents et à proximité d'un de ces bras, pour mesurer la distance séparant ledit transducteur du marin colmatant M. de manière à détecter un colmatage.

[0042] Bien évidemment, on peut utiliser plusieurs troisièmes transducteurs 7e installés sur la cloison 30, pour détecter le colmatage de plusieurs ouvertures.

Par exemple on peut prévoir qu'un nombre n de troisièmes transducteurs 7e (n étant un entier égal ou supérieur à 2) sont agencés pour contrôler le colmatage en n points de chaque ouverture.

[0043] Dans une autre variante de réalisation, les troisièmes transducteurs 7c ne sont pas disposés sur la cloison 30, mais sont installés directement sur un ou plusieurs bras 100, de sorte que lesdits transducteurs tournent en même temps que le(s)dit(s) bras.

Cette solution offre l'avantage de pouvoir obtenir une cartographie dynamique du front de taille F avec un nombre restreint de troisièmes transducteurs 7e.

[0044] Dans la variante de réalisation de la figure 7, un troisième transducteur 7e1 est utilisé pour mesurer la distance séparant ledit transducteur du front de taille F, de manière à détecter une cavité C, mais également une éventuelle obstruction de l'ouverture entre deux bras 100 adjacents comme indiqué précédemment en référence à la figure 6e.

Et un autre troisième transducteur 7c2 est utilisé pour détecter un colmatage au niveau des bras 100, comme indiqué précédemment en référence aux figures 6a et 6b.

Les tirs de ces deux transducteurs sont synchronisés sur la position angulaire des bras 100.

Comparée à celle décrite en référence aux figures 6a-6c, cette solution nécessite d'utiliser deux transducteurs au lieu d'un seul et est donc plus onéreuse Toutefois, les mesures peuvent être plus précises dans la mesure où un transducteur 7e1 peut être spécifiquement paramétré pour détecter une cavité dans le front de taille ou, une obs- 13 truction de l'ouverture entre deux bras 100 adjacents, tandis que l'autre transducteur 7e 2 peut être spécifiquement paramétré pour détecter un colmatage des bras 100.

[0045] Dans la variante de réalisation de la figure 9, les troisièmes transducteurs 7c sont installés directement sur la roue de coupe de la tête de forage 1, par exemple sur les bras 100.

Les troisièmes transducteurs 7c sont alors uniquement utilisés pour mesurer la distance séparant lesdits transducteurs du front de taille F, de manière à détecter une cavité C.

Le colmatage n'est pas détecté.

[0046] Pour les transducteurs 7a et 7b, l'obstacle cible est la paroi du profil d'excavation située au droit desdits transducteurs.

La distance entre ces transducteurs 7a, 7b et cette paroi varie en pratique de 1 cm à 50 cm.

[0047] Pour les troisièmes transducteurs 7c, l'obstacle cible est le front de taille F et/ou le marin M accumulé entre les bras 100 par colmatage.

Lorsque les troisièmes transducteurs 7c sont installés sur la cloison 30, la distance les séparant du front de taille F et/ou du marin M peut être supérieure à 1 m, et même atteindre 5 m.

[0048] La fréquence d'émission d'un transducteur à ultrasons piézoélectrique étant géné- ralement fixe, on peut jouer sur la puissance et/ou sur la durée d'impulsion de l'onde ultrasonore pour adapter sa portée à l'obstacle cible.

Par exemple, si l'obstacle cible nécessite une certaine fréquence pour être atteint et que la fréquence d'émission d'un transducteur est plus haute, on augmentera la puissance de l'onde émise et/ou la durée d'impulsion en conséquence.

De même, lorsqu'un troisième transducteur 7c est utilisé pour cibler deux obstacles distincts (le front de taille F et du marin M; figures 6a-6c), on peut faire varier la puissance et/ou la durée d'impulsion de l'onde ultrasonore selon que le troisième transducteur 7c cible le front de taille F ou cible le marin M, la puissance étant par exemple réduite dans ce dernier cas.

[0049] La figure 10 illustre un mode préféré de fixation d'un troisième transducteur 7c sur la cloison 30.

Le troisième transducteur 7c est logé dans un boîtier de protection 8, réalisé dans un matériau rigide du type acier.

Ce boîtier 8 est fixé par exemple par soudage ou vissage, sur la cloison 30, à l'intérieur de la chambre d'excavation 3.

Le boîtier 8 comporte une ouverture disposée en vis-à-vis du troisième transducteur 7c, laquelle ouverture est obturée par une grille 80 faisant office de couvercle.

Le boitier 8 a les mêmes dimensions que le troisième transducteur 7c de sorte que le montage du couvercle 80 écrase le joint 81 rendant ainsi le montage étanche.

Le troisième transducteur 7c est ainsi maintenu fermement pal- effet de précontrainte. ceci, afin de le protéger des vibrations lors du forage qui pourraient conduire à son endommagement.

La grille 80 a pour fonction de protéger le troisième transducteur 7c contre les impacts physiques des matériaux excavés tout en n'altérant pas - ou le moins possible - les ondes ultrasonores émises et reçu par ledit transducteur.

Un perçage 300 est réalisé dans la cloison 30 pour le passage du câble de h-ansducteur700 connecté au troisième 14 transducteur 7c.

[0050] Avantageusement, on prévoit deux niveaux d'étanchéité pour éviter les fuites d'air ou de marin entre la chambre d'excavation 3 et l'arrière du tunnelier.

Un joint torique 81, monté dans le logement du boîtier 8, assure un premier niveau d'étanchéité entre le troisième transducteur 7c et le perçage 300.

Un second niveau d'étanchéité est formé à l'arrière de la cloison 30.

Un tube fileté 82 est inséré de manière étanche dans le perçage 300.

Sur ce tube fileté 82 est fixé une vanne d'isolement 83 associé à un raccord étanche du type presse-étoupe 84, lequel raccord est en prise avec un tube flexible pneumatique ou hydraulique 85.

Le câble 700 passe au travers du tube 82, de la vanne 83, du raccord 84 et du tube 85.

Le serrage du presse-étoupe 84 assure une étanchéité entre le câble 700 et le tube 85.

En cas de fuite lente constatée, un opérateur peut simplement resserrer le presse-étoupe 84 pour maintenir l'étanchéité.

En cas de fuite rapide, la vanne d'isolement 83 est fermée, entraînant une section du câble 700.

Le joint torique 81 et le presse-étoupe 84 peuvent dans certains cas être redondants.

Aussi, seulement l'une de ces solutions d'étanchéité peut être retenue.

[0051] La figure 11 illustre un mode préféré de fixation d'un premier ou deuxième transducteur 7a, 7b sur la paroi du bouclier 2.

Un perçage 200 est réalisé dans la paroi 2.

Un tube 21 muni d'une embase 210 est inséré dans le perçage 200 et est soudé à la paroi du bouclier 2.

Le transducteur 7a, 7b est installé dans un boîtier de protection 22, réalisé dans un matériau rigide du type acier.

Ce boîtier 22 est inséré dans le tube 21, depuis l'intérieur du tunnelier T, et fixé audit tube par exemple par soudage ou vissage.

A cet effet, le boîtier 22 peut être pourvu d'une bride 220 coopérant par boulonnage avec une embase 210 du tube 21.

Un aménagement réalisé dans le boîtier 22 permet le passage du câble 700 connecté au transducteur 7a, 7b.

Un presse-étoupe 25 est avantageusement vissé sur la bride 220 spécialement alésée à cet effet pour se protéger des intrusions de fluide de forage.

Le perçage 200 est obturé par une plaque 24 affleurant la face extérieure (celle en vis-à-vis de la paroi du profil d'excavation) de la paroi du boucher 2.

La plaque protège le transducteur 7a, 7b contre d'éventuels chocs, tout en n'altérant pas - ou le moins possible les ondes ultrasonores émises et reçues par ledit transducteur.

[0052] Le transducteur 7a, 7b est préférentiellement résiné dans le boîtier de protection 22.

La résine assure la continuité du milieu solide à travers lequel se propagent les ondes acoustiques émises et reçues, ceci afin de garantir de bonnes performances pour le transducteur.

[0053] Un joint torique 230 peut être prévu entre la bride 220 et l'embase 210 pour assurer une étanchéité entre le tube 21 et le boîtier 22.

Le logement du transducteur 7a, 7b peut être rempli de résine et/ou être pourvu d'un joint torique, pour assurer l'étanchéité entre ledit transducteur et le boîtier 22.

[0054] L'agencement des différents éléments et/ou moyens et/ou étapes de l'invention, dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, ne doit pas être compris comme exigeant un tel agencement dans toutes les implémentations.

Notamment, une ou plusieurs caractéristiques exposées seulement dans un mode de réalisation peuvent être combinées avec une ou plusieurs autres caractéristiques exposées seulement dans un autre mode de réalisation. 16

Claims (1)

1. REVENDICATIONS[Revendication 1] Tunnelier à confinement comprenant une tête de forage (1) du terrain (S) dans lequel s'effectue un perçage de tunnel, lequel tunnelier est équipé d'un dispositif de détection de sol, caractérisé en ce que le dispositif de détection de sol est un dispositif de télémétrie par ultrason adapté pour être activé pendant la foration. [Revendication 2] Tunnelier selon revendication 1, dans lequel le dispositif de télémétrie par ultrason comporte au moins un transducteur (7a, 711, 7c) à ultrasons adapté pour émettre une onde ultrasonore vers un obstacle cible et pour réceptionner l'écho de ladite onde réfléchie sur ledit obstacle. [Revendication 3] Tunnelier selon la revendication 2, dans lequel le ou les transducteurs (7a, 7b, 7c) sont des transducteurs piézoélectriques. [Revendication 4] Tunnelier selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel : - le tunnelier (T) comporte une chambre d'excavation (3) disposée à hurière de la tête de forage (1) et un boucher (2), lequel bouclier présente une paroi externe se prolongeant par une casquette (20) coiffant ladite chambre d'excavation en tout ou partie, - au moins un transducteur (7a) est installé sur la casquette (20) de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit de cette paroi, au niveau du front de taille (F). [Revendication 5] Tunnelier selon la revendication 4, dans lequel un transducteur (7a) est installé sur la partie supérieure de la casquette (20) de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit de ladite casquette, dans la partie supérieure du front de taille (F). [Revendication 6] Tunnelier selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel plusieurs transducteurs (7a) sont installés sur la circonférence de la casquette (20), lesquels transducteurs sont répartis sur un secteur angulaire compris entre 1800 et 3600 . [Revendication 7] Tunnelier selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel : - le tunnelier (T) comporte un boucher (2) présentant une paroi extérieure, - au moins un transducteur (7b) est installé sur la paroi extérieure du bouclier (2) de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit dudit transducteur. 17 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] Tunnelier selon la revendication 7, dans lequel plusieurs transducteurs (711) sont installés longitudinalement dans la partie supérieure de la paroi extérieure du bouclier (2). Tunnelier selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel plusieurs transducteurs (7b) sont installés sur la circonférence de la paroi extérieure du bouclier (2), lesquels transducteurs sont répartis sur un secteur angulaire compris entre 180' et 360'. Tunnelier selon l'une des revendications 2 à 9, dans lequel : - le tunnelier (T) comporte une chambre d'excavation (3) disposée à l'arrière de la tête de forage (1), une cloison (30) séparant ladite chambre de l'arrière dudit tunnelier, - au moins un transducteur (7c) est installé sur la cloison (30) de manière à pouvoir mesurer la distance séparant ledit transducteur du front de taille (F) et/ou de manière à pouvoir effectuer un tir d'onde ultrasonore dans une ouverture située entre deux bras tournants (100) adjacents de la tête de forage (1). Tunnelier selon la revendication 10, dans lequel plusieurs transducteurs (7c) sont installés dans la partie supérieure de la cloison (30). Tunnelier selon la revendication 10, dans lequel le déclenchement de l'émission de l'onde ultrasonore par le transducteur (7c) est synchronisé avec la position angulaire des bras (100) de la tête de forage (1). Procédé de détection de sol depuis un tunnelier (T) à confinement comprenant une tête de forage (1) du terrain (S) dans lequel s'effectue un perçage de tunnel, caractérisé en ce que la détection de sol est réalisée au moyen d'un dispositif de télémétrie par ultrason activé pendant la foration. Procédé selon la revendication 13, consistant à détecter des cavités (C) formées en voûte du tunnel, au niveau du front de taille (F) du tunnelier (T), lequel tunnelier comporte une chambre d'excavation (3) disposée à l'arrière de la tête de forage (1) et un bouclier (2) présentant une paroi extérieure se prolongeant par une casquette (20) coiffant ladite chambre d'excavation en tout ou partie, ledit procédé comportant les étapes consistant à : - installer au moins un transducteur (7a) à ultrasons sur la casquette (20), - mesurer, au moyen du transducteur (7a), la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit dudit transducteur, au niveau du front de taille (F), 18 [Revendication 15] [Revendication 16] [Revendication 17] [Revendication 18] - détecter une cavité (C) par une analyse de la variation de la distance mesurée. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, consistant à détecter des cavités (C) formées dans la paroi du profil d'excavation située autour d'un bouclier (2) du tunnelier (T), ledit procédé comportant les étapes consistant à : - installer au moins un transducteur (7b) à ultrasons sur une paroi extérieure du bouclier (2), - mesurer, au moyen du transducteur (71)), la distance séparant ledit transducteur de la paroi du profil d'excavation située au droit dudit transducteur, - détecter une cavité (C) par une analyse de la variation de la distance mesurée. Procédé selon l'une des revendications 14 ou 15, comprenant une étape consistant à injecter un matériau de remplissage dans la cavité (C) détectée, le volume de matériau injecté étant déterminé en fonction des distances mesurées. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, consistant à détecter des cavités (C) formées au niveau d'un front de taille (F) foré par le tunnelier (T), ledit procédé comportant les étapes consistant à: - installer plusieurs transducteurs (7c) à ultrasons : -- sur une cloison (30) d'une chambre d'excavation (3) du tunnelier (T) disposée à l'arrière de la tête de forage (1), laquelle cloison sépare ladite chambre de Panière dudit tunnelier, ou -- sur un bras (100) de la tête de forage (1) du tunnelier (T), - mesurer, au moyen des transducteurs (7c), la distance séparant lesdits transducteurs du front de taille (F). Procédé selon l'une des revendications 13 à 17, consistant à détecter du marin (M) qui colmate une ouverture située entre deux bras tournants (100) adjacents de la tête de forage (1), ledit procédé comportant les étapes consistant à : - installer au moins un transducteur (7c) à ultrasons sur une cloison (30) d'une chambre d'excavation (3) du tunnelier (T) disposée à l'arrière de la tête de forage (1), lequel transducteur est installé en vis-à-vis de ladite tête de forage, - mesurer, au moyen du transducteur (7c), la distance séparant ledit transducteur du marin (M) obstruant ladite ouverture, - comparer cette mesure avec une valeur de référence pour déduire l'état 19 de colmatage de la tête de forage (1).