CA2230901A1 - Appareil de foration et de boulonnage destine au creusement et au soutenement de galeries - Google Patents

Abstract

Cet appareil (1) comporte une poutre (2), un dispositif de boulonnage (4) avec un magasin (10) pour boulons, des moyens pour introduire ces derniers dans un trou foré, une glissière de forage (5), une perforatrice (6) munie d'un outil de forage (7) et des moyens de commande (15) du coulissement de la glissière de forage (5) sur la poutre (2). Cette dernière est montée à l'extrémité d'un bras articulé. Selon l'invention, la poutre (2) est montée fixe sur l'extrémité du bras articulé, le magasin (10) est monté coulissant par rapport à la poutre (2), et l'appareil (1) comporte des moyens pour repérer la position de l'outil de forage (7) et un calculateur pour pouvoir amener un boulon placé dans le magasin (10) en face d'un trou foré, la position relative de ce dernier et des compartiments du magasin étant mémorisée.

Description

APPAREIL DE FORATION ET D~ BOUTnNNr~ D~ N~: AU
CREU~ ., ET AlJ 8uu~:r-~- l-cr, DE ~ .l;!pTl;!~:
L'invention concerne un appareil de foration et de boulonnage destiné au creusement et au soutenement de galeries.
Pour realiser une galerie, un tunnel ou similaire, il faut dans un premier temps creuser sur une certaine longueur dans la direction de la galerie puis, dans un second temps, soutenir la paroi de la galerie pour eviter qu'elle ne s'effondre, avant de poursuivre le creusement de la galerie. Pour mettre en oeuvre ces deux etapes, deux appareils distincts sont utilisees.
Un premier appareil est destine au creusement de la galerie. Il comporte une ou plusieurs glissi~eres munies de têtes de forage agissant parallelement à l'axe de la galerie. Chaque glissiere est supportee par un bras articule qui permet le positionnement de celle-ci dans la galerie.
Le soutenement de la paroi est generalement realise par des boulons scelles dans la paroi a soutenir.
Pour poser ces boulons, un trou est fore perpendiculairement a la paroi, un boulon est introduit dans le trou fore, y est scelle a l'aide par exemple d'un coulis de scellement, avant de recevoir enfin une tête d'ancrage.
Une machine utilisee pour realiser le soutenement comporte generalement une tourelle de foration et de boulonnage agissant perpendiculairement a l'axe de la galerie. Cette tourelle comprend une poutre servant de guide a un chariot de foration et a un chariot de boulonnage. La poutre est montee pivotante et coulissante ~ l'extremite d'un bras support. L'ensemble est associe a un magasin de boulons dynamique.
Les documents FR-l 359 297 et FR-2 520 800 decrivent une machine destinee à la foration et au W O 97/12122 PCTA~R96/01482 boulonnage du type de celle decrite au paragraphe precedent.
Actuellement, deux machines distinctes sont necessaires pour réaliser le creusement et le soutenement d'une galerie. L'utilisation de deux machines est un handicap d'un point de vue economique. D'une part ces machines sont d'un coût eleve et d'autre part il y a d'importantes pertes de temps lors de la mise en place de chacune de ces machines.
Les appareils de foration et de boulonnage connus travaillent dans une direction de forage. Leur magasin de boulons dynamique ne permet pas l'utilisation de leur chariot de foration pour le creusement de la galerie. En effet, leur encombrement et leur complexite rendent cette utilisation impossible.
L'invention a donc pour but de fournir un appareil de foration et de boulonnage destine au creusement et au soutenement de galeries, evitant ainsi l'emploi de deux machines distinctes.
A cet effet, l'invention propose un appareil de foration et de boulonnage de type comportant une poutre sur laquelle sont montes, d'une part un dispositif de boulonnage comportant un magasin pour des boulons et des moyens pour introduire ces derniers dans un trou fore et, d'autre part un dispositif de foration monte sur la poutre par l'intermediaire d'une glissiere de forage et comportant une perforatrice munie d'un outil de forage et des moyens de commande du coulissement de la glissiere de forage sur la poutre, cette derniere etant montee a l'extremite d'un bras articule muni de moyens de co ~n~e.
Selon l'invention, la poutre est montee fixe sur l'extremite du bras articule, le magasin est monte coulissant par rapport a la poutre parallelement a la direction de foration du dispositif de foration, et l'appareil de foration et de boulonnage comporte en outre des moyens pour reperer la position de l'outil de forage W O 97/12122 PCT~R96/01482 et un dispositif coopérant avec ces derniers moyens et avec les moyens de commande du bras articule pour pouvoir amener un boulon placé dans le magasin en face d'un trou foré par l'outil de forage, la position relative de ce 5 dernier et des compartiments du magasin etant memorisee.
Dans cet appareil de foration et de boulonnage, le dispositif de foration peut aussi bien servir a la foration d'un trou pour y mettre un boulon qu'au creusement d'une galerie. La structure de cet appareil 10 comporte un magasin statique pour les boulons qui ne gene pas le dispositif de foration lorsque l'appareil est en position d'avancement dans une galerie ou un tunnel. Une telle structure permet la construction d'un appareil de foration et de boulonnage simple et peu encombrant et de 15 ce fait adaptable sur un bras de forage d'une machine destinee au creusement de tunnels.
< Lors de la pose d'un boulon avec cet appareil, le dispositif de foration fore de maniere classique un trou destine a recevoir un boulon. La position dans l'espace de 20 l'outil de forage est reperee. De plus, la position relative de cet outil et des compartiments du magasin contenant les boulons est connue. Ainsi, gr~ce au dispositif coopérant avec les moyens de reperage de la position de l'outil de forage et avec les moyens de 25 commande du bras articule, ces derniers peuvent, une fois le trou fore, venir placer un compartiment du magasin contenant un boulon face au trou fore.
Pour réduire l'encombrement de l'appareil, la poutre est avantageusement un profile creux a l'interieur 30 duquel est mont~ coulissant le magasin.
Pour rendre l'ensemble de l'appareil plus simple, l'invention propose de rendre le magasin solidaire de la glissiere de forage.
Toujours dans le but de rendre cet appareil le 35 moins encombrant possible tout en etant aussi performant

2 PCTAFR96/01482 que possible, le magasin comporte avantageusement un tube d'injection de coulis de scellement.
Dans une forme d'ex~cution préferentielle, le magasin presente un ensemble de tubes parallèles qui sont tous fixes sur un même côte d'une plaque presentant une ouverture pour chaque tube, et le support du magasin est un support creux presentant une ouverture par tube dans laquelle le tube est guide lorsque le magasin se deplace par rapport à la poutre.
Dans cette forme d'execution, l'invention propose de plus qu'en position de boulonnage, la plaque sur laquelle sont fixes les tubes du magasin soit disposee face à une seconde plaque munie d'ouvertures correspondant à celles de la première plaque mais de section plus petite, chaque ouverture de la seconde plaque faisant face à un tube du magasin logeant un boulon, etant munie d'un élement de guidage destine à guider le boulon correspondant lors de son introduction dans un trou fore, que l'extremité d'un boulon loge dans un tube du magasin, situee a l'oppose des premières et secondes plaques soit engagee dans un evidement realise dans un piston etage, la section du piston du côte des plaques correspondant sensiblement à la section de l'ouverture correspondante de la seconde plaque et la section du piston à son autre extremite correspondant à la section du tube dans lequel il se Lrouv~, et que le tube, à son extremite opposee aux plaques soit ferme par un obturateur raccorde à un circuit d'injection de fluide sous pression.
Avantageusement, le dipositif cooperant avec les moyens pour reperer la position de l'outil de forage (7) et avec les moyens de c~ ~n~e du bras articule (25) est un calculateur. Cependant, il peut egalement s'agir d'un sequenceur hydraulique ou d'un automate.
De toute façon, l'invention sera bien comprise à
l'aide de la description qui suit, en reference au dessin sch~matique annexe, representant à titre d'exemple non CA 0223090l l998-03-20 W O 97/12122 PCTA~R96/01482 limitatif un appareil de foration et de boulonnage selon l'invention.
La figure 1 en représente une vue de coté;
Figure 2 est une vue en coupe à échelle agrandie S selon la ligne II-II de la figure 1 ;
Figure 3 est une vue de coté a echelle reduite de l'appareil de la figure 1 monte sur un bras et en position d'avancement ;
Figures 4 et 5 sont des vues correspondant a la figure 3 de l'appareil en position de boulonnage ; et Figure 6 est une vue a echelle agrandie d'une partie du dispositif de boulonnage de l'appareil.
La figure 1 represente un appareil de foration et de boulonnage 1 destine au creusement et au soutènement de lS galeries. Cet appareil 1 comprend une poutre 2 sur laquelle sont montés d'une part, un dispositif de foration 3 et d'autre part, un dispositif de boulonnage 4.
Le dispositif de foration 3 comprend une glissière de forage S, une perforatrice 6, un outil de foration 7 et un guide 8. La glissière de forage 5 est fixee coulissante sur la poutre 2. Un verin 15 permet de faire coulisser la glissière 5 par rapport à la poutre 2. Cette dernière est une poutre tubulaire, de section sensiblement rectangulaire. La perforatrice 6 coulisse sur la glissière 5. L'outil de foration 7 est monté dans la perforatrice 6 et est guidé par le guide 8.
Le dispositif de foration 3 est de type connu et les différentes pieces qui le constituent ne seront pas décrites plus en detail ici.
Le dispositif de boulonnage 4 comprend un support creux 9, un magasin 10 destine a contenir des boulons 11 et des moyens pour pousser les boulons 11 hors du magasin vers un trou fore.
Le support creux 9 est place à l'interieur de la 3S poutre 2 et est solidaire de celle-ci, par soudage par exemple. Il sert de support et de palier au magasin 10.

W O 97/12122 PCT~R96/01482 Le magasin 10 comporte une plaque d'extremite 12 sensiblement rectangulaire et presentant sept ouvertures circulaires, ainsi que six tubes 13 identiques, destines chacun a recevoir un boulon 11 et soudes chacun par l'une de leur extremite au niveau d'une ouverture de la plaque 10. La septieme ouverture reçoit de la même façon ' un tube 14 servant a une injection de coulis de scellement. La plaque d'extremite 12 est fixee sur la glissiere de forage 5, a proximite de l'une de ses extrémités, du même côté que la poutre 2. Tous les tubes 13,14 se situent du même côte de la plaque d'extremite 12.
Le support creux 9 presente un profil correspondant a celui de la plaque d'extremite 12. Chaque tube 13,14 passe dans une ouverture circulaire de ce support 9. Les tubes 13,14 s'étendent ainsi parallelement a la glissiere de forage 5 et donc a la direction de forage du dispositif de foration 3.
Une seconde plaque 16 fait face a la plaque d'extremite 12. Ces deux plaques sont rendues solidaires par une goupille 17 clavetee (Fig.6). La seconde plaque 16 presente des ouvertures correspondant a celles de la plaque d'extremite. Le diametre des ouvertures correspondant a un tube 13 destine a recevoir un boulon 11 est inferieur au diamètre interieur du tube 13 correspondant, tout en etant superieur au diametre des boulons 11. Chacune de ces ouvertures re,coit un element de guidage 18. Ce dernier presente un diametre interieur sensiblement egal au diametre des boulons 11 et se fixe sur la seconde plaque 16, du c8te oppose ~ la premiere plaque 12.
A l'interieur de chaque tube 13 se trouve un boulon 11. Une exL~ ;te du boulon est engagee dans l'element de guidage 18 monte sur la seconde plaque 16.
~'a~t~e e~ it~ e-t log~- d~n~ un ~videment 19 m&nag~
dans un piston 20. Ce dernier est destine a coulisser dans W O 97/12122 PCTA~R96/01482 le tube 13. Il comporte une zone 21 eloignee de la plaque d'extrémite 12 de diametre sensiblement égal au diamètre interieur du tube 13 et une zone 22 proche de la plaque d'extrémité 12 de diam~tre sensiblement egal au diamètre 5 des ouvertures de la seconde plaque 16. L'evidement 19 est un evidement cylindrique borgne parallèle a l'axe du boulon 11 et deboucL~e du côte de la plaque d'extremite 12.
Le tube 13, du cate oppose aux plaques 12,16 est ferme par un obturateur 23 amovible muni d'un raccord 10 d'injection 24 de fluide sous pression.
Le tube 14 d'injection de coulis de scellement est de type connu et n'est par decrit plus en detail ici.
Comme le montrent les figures 3 a 5, l'appareil 1 decrit ci-dessus est monte à l'extremite d'un bras 15 articule 25. Un verin 26 est prevu pour pouvoir faire varier l'angle d'inclinaison entre l'extremite du bras 25 et l'appareil de foration et de boulonnage 1. Ce bras articule 25 presente au moins quatre degres de liberte. Il est lui-même porte par un engin de creusement non 20 represente.
Le fonctionnement de l'appareil de foration et de boulonnage 1 decrit ci-dessus est le suivant.
La figure 3 montre cet appareil 1 en position d'avancement. Ce dernier est dans ce cas sensiblement 25 parallèle a la galerie en cours de creusement, face a la paroi du fond 27 de cette galerie. La perforatrice 6 est en action pour abattre la paroi du fond. Durant cette phase d'avancement, le dispositif de boulonnage 4 est au repos. Le magasin statique 10 est vide et les tubes 13, 14 s 30 ne sont pas relies a une source de fluide sous pression ou de coulis de scellement. Il ne gêne absolument pas le travail de foration de la perforatrice 6.
Au fur et a mesure de l'avancement de la galerie, pour éviter un effondrement de cette derniere, il faut 35 régulièrement effectuer des operations de soutènement. Ces opérations consistent à introduire des boulons d'ancrage W O 97/12122 PCTA~R96/01482 dans la paroi laterale 28, et notamment la paroi supérieure, puis a fixer une plaque de soutenement sur ces boulons a l'aide d'une tête d'ancrage. Pour pouvoir mettre le boulon en place dans la paroi laterale 28, il faut tout d'abord réaliser un long trou 29 de faible diametre, perpendiculairement a la paroi 28, puis y loger un boulon 11.
Les figures 4, respectivement 5, montrent l'appareil de foration et de boulonnage 1 en position de boulonnage, au cours du forage du trou 29 destiné a recevoir un boulon 11, respectivement au cours de la pose dans le trou foré 29 du boulon 11.
Avant l'operation de boulonnage, le magasin 10 est charge de boulons 11. Chacun de ceux-ci est placé dans un tube 13 et positionne dans un piston 20. L'extremite correspondante du boulon 11 est logee dans l'evidement 19 du piston. Le tube 13 est alors ferme par un obturateur 23 et, une fois tous les obturateurs 23 en place, le dispositif de boulonnage 4 est raccorde a une source de fluide sous pression et a une source de coulis de scellement (non representees). La seconde plaque 16 est egalement equipée d'elements de guidage 18.
Le bras articule 25 est alors positionne de telle sorte que le dispositif de foration 3, et plus precisement la perforatrice 6, se trouve perpendiculaire a la paroi laterale 28 face a l'endroit souhaite pour mettre un boulon ll (Figure 4). La perforatrice 6 est mise en marche et avance le long de la glissiere 5 comme le suggere la position dessinee en trait mixte sur la figure 4.
Afin de connaitre précisément la position du trou foré 29, des capteurs (non représentés) relies a un calculateur (non represente egalement) enregistrent les grandeurs angulaires et lineaires représentatives des parametres de position du bras articulé 25.

Une fois le trou 29 fore, l'outil de foration 7 ~ est retire. L'ensemble formé par la glissiere 5 et le magasin 10 est recule puis ecarte de la paroi 28.
L'etape suivante consiste a injecter du coulis de scellement dans le trou foré 29. Pour ce faire, le tube 14 d'injection de coulis de scellement est place face au trou 29. Le positionnement relatif de la perforatrice 6, des tubes 13 du magasin 10, et du tube 14 d'injection de coulis de scellement est memorise dans une memoire du calculateur. Un systeme de commande gere par le calculateur permet de positionner avec precision le bras articule 25 de telle sorte que le tube 14 d'injection de coulis de scellement se retrouve face au trou 29 en alignement avec ce dernier, grâce aux parametres stockes et enregistres dans le calculateur. Le tube 14 est introduit dans le trou 29, puis retire pour permettre la depose de coulis de scellement le long du trou 29. Apres retrait total du tube d'injection 14, l'ensemble forme par la glissiere 5 et le magasin 10 est ecarte de la paroi 28.
Un boulon 11 peut maintenant être mis en place dans le trou 29. Les mouvements angulaires et lineaires du bras articule 25 sont actives par le systeme de commande de maniere a ce qu'un tube 13 contenant un boulon 11 se place face au trou fore 29 en alignement avec ce dernier.
L'ensemble formé par la glissiere 5 et le magasin 10 est avance au contact de la paroi 28. Du fluide sous pression est injecte par le raccord 24 dans la chambre 30 delimitee par le piston 20, la paroi du tube 13 et l'obturateur 23.
Ainsi le piston 20 correspondant pousse le boulon 11 vers le trou 29 (Figures 5 et 6).
Le boulon 11, pousse par le piston 20 et guide par l'element de guidage 18, penetre dans le trou 29 contenant du coulis de scellement. En fin de course du piston 20, la zone 22 du piston de petit diametre arrive au bout du tube 13, puis au niveau de l'ouverture de la seconde plaque 16. Comme indique plus haut, le diametre de la W O 97/12122 PCTA~R96/01482 zone 22 du piston est sensiblement egal au diametre de l'ouverture de la plaque 16. Cette partie 22 du piston est telle qu'elle peut passer a travers cette ouverture. Un chanfrein 31 est prévu sur le piston pour faciliter son introduction a travers la seconde plaque 16. En s'introduisant a travers l'ouverture, le piston 20 vient chasser l'élément de guidage 18 et l'enfonce dans le trou 29. Le piston 20 est arrêté lorsque sa zone 21 de grand diamètre arrive contre la seconde plaque 16.
L'element de guidage 18 présente sur sa surface exterieure des dents 32 elastiques inclinees dans un sens favorisant la pénétration dans le trou 29 mais rendant difficile, voire impossible le retrait hors de ce trou 29. L'élement de guidage 18 sert alors de bouchon fermant le trou 29 et centrant l'extremite du boulon qui depasse de la paroi par rapport au trou 29.
Le boulon 11 est pose. La glissiere 5 et le magasin 10 sont ecartes de la paroi 28. L'appareil 1 est prêt a poser un autre boulon 11. Le magasin represente au dessin comporte six tubes 13 contenant chacun un boulon 11, l'opération de boulonnage decrite ci-dessus peut donc être repetee cinq fois avant soit de reprendre l'avancement de la galerie, soit de recharger le magasin 10 avec d'autres boulons 11.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas a la seule forme d'execution decrite ci-dessus a titre d'exemple non limitatif ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes.
Ainsi par exemple, le dispositif de boulonnage peut être place de maniere differente par rapport a la glissiere de forage. Ce dispositif peut même être indépendant de cette glissiere et être monté sur une autre glissiere qui lui serait propre. On aurait alors deux glissieres parallèles, l'une pour le dispositif de foration et l'autre pour le dispositif de boulonnage. De W O 97/12122 PCT~R96/01482 tres nombreuses variantes quant aux postions relatives de ces deux dispositifs sont envisageables.
Le tube d'injection de coulis de scellement n'est pas forcement monte parmi les autres tubes du magasin. Ce tube ne fait pas partie integrante de l'invention. Il est pensable d'avoir un dispositif d'injection de coulis de scellement distinct de l'appareil de foration et de boulonnage sans sortir du cadre de l'invention. De même, le nombre de tubes destinés a recevoir des boulons n'est pas limite a six. Ce nombre peut etre superieur ou inferieur.
Le calculateur utilise peut etre remplace par un séquenceur hydraulique ou par un automate tout en permettant a l'appareil decrit ci-dessus de fonctionner de la même fa,con.
Bien entendu, cet appareil peut etre utilise dans toutes les positions, pour mettre des boulons dans le sol par exemple, et peut utiliser tous types de boulons.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Appareil de foration et de boulonnage (1) comportant une poutre (2) sur laquelle sont montés :
un dispositif de foration (3) comportant une perforatrice (6) munie d'un outil de forage (7), et un dispositif de boulonnage (4) comportant un magasin pour des boulons montés coulissant par rapport à
la poutre (2) parallèlement à la direction de foration du dispositif de foration, et des moyens pour introduire chaque boulon dans un trou foré (29), la poutre étant montée à l'extrémité d'un bras articulé (25) muni de moyens de commande, et le dispositif de foration (3) étant monté sur la poutre (2) par l'intermédiaire d'une glissière de forage (5), des moyens (15) étant prévus pour commander un coulissement de la glissière de forage (5) sur la poutre (2), caractérisé en ce que, la poutre (2) est montée fixe sur l'extrémité du bras articulé (25), en ce que en ce que l'appareil de foration et de boulonnage (1) comporte en outre des capteurs reliés à un calculateur pour repérer la position de l'outil de forage (7), et en ce que le calculateur coopère avec ces capteurs et avec les moyens de commande du bras articulé (25) pour pouvoir amener un boulon (11) placé dans le magasin (10) en face d'un trou foré (29) par l'outil de forage (7), la position relative à ce dernier et des compartiments étant mémorisée dans le calculateur.

2. Appareil de foration et de boulonnage (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poutre (2) est un profilé creux à l'intérieur duquel est monté
coulissant le magasin (10).

3. Appareil de foration et de boulonnage (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le magasin (10) est solidaire de la glissière de forage (7).

4. Appareil de foration et de boulonnage (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le magasin (10) comporte un tube (14) d'injection de coulis de scellement.

5. Appareil de foration et de boulonnage (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le magasin (10) présente un ensemble de tubes (13) parallèles qui sont tous fixés sur un même côté d'une plaque (12) présentant une ouverture pour chaque tube (13), et en ce que le support (9) du magasin (10) est un support creux présentant une ouverture par tube (13) dans laquelle le tube (13) est guidé lorsque le magasin se déplace par rapport à la poutre (2).

6. Appareil de foration et de boulonnage (1) selon la revendication 5, caractérise en ce qu'en position de boulonnage, la plaque (12) sur laquelle sont fixés les tubes (13) du magasin fait face à une seconde plaque (16) munie d'ouvertures correspondant à celles de la première plaque (12) mais de section plus petite, chaque ouverture de la seconde plaque (16) faisant face à un tube du magasin logeant un boulon (11) étant munie d'un élément de guidage (18) destiné à guider le boulon correspondant lors de son introduction dans un trou foré (29), en ce que l'extrémité d'un boulon (11) logé dans un tube (13) du magasin située à l'opposé des premières et secondes plaques (12, 16) est engagée dans un évidement (19) réalisé dans un piston (20) étagé, la section du piston du côté des plaques (12, 16) correspondant sensiblement à la section de l'ouverture correspondante de la seconde plaque (16) et la section du piston à son autre extrémité correspondant a la section du tube (13) dans lequel il se trouve, et en ce que le tube, a son extrémité opposée aux plaques (12, 16) est fermé par un obturateur (23) raccordé
a un circuit d'injection de fluide sous pression.