Procédé de creusement d'excavations en terrain èbouleux ou aquifère au moyen d'un bouclier L'invention est relative à un procédé de creuse ment d'excavations en terrain aquifère ou ébouleux au moyen d'un bouclier.
Un procédé ancien et éprouvé consiste à utiliser, pour la construction de tunnels en terrain inconsis tant, un appareil appelé bouclier. Ce bouclier com porte à l'avant une chambre de travail dans laquelle le terrain est fouillé manuellement ou mécanique ment. Le bouclier est poussé vers l'avant et progresse en suivant les terrassements. En terrain aquifère, on utilise généralement l'air comprimé qui chasse l'eau partiellement ou totalement de la chambre de travail.
L'utilisation de l'air comprimé rend l'exécution plus coûteuse et plus lente car elle nécessite la pré sence de sas pneumatiques. Quand la pression aug mente, le temps utile de travail d'une équipe est considérablement réduit. Il faut en outre que la nature et l'épaisseur du terrain au-dessus du bouclier n'entraînent pas de fuites excessives d'air ou la créa tion de renards.
Le travail au bouclier en terrain aquifère peut parfois être réalisé à l'air libre ou à pression réduite par rabattement de la nappe. Les conditions prati ques d'emploi de cette méthode sont toutefois assez limitées.
On sait aussi que les liquides thixotropes sont d'usage courant, dans la construction de fondations, pour stabiliser et colmater un terrain, parce que, par leur pression hydrostatique et la propriété qu'ils pos sèdent de former une pellicule imperméable au contact du sol sec, ils opposent la résistance néces saire à la pression engendrée par le terrain et par l'eau.
Les liquides thixotropes trouvent application, aussi bien pour l'enfoncement de caissons de fonçage ouverts ou fermés que dans le procédé de construc tion dit par tranchées bétonnées , dans lequel il s'agit de stabiliser en permanence ou temporairement une cavité prismatique du sol jusqu'à ce que cette cavité soit comblée, par exemple par un mur porteur.
La présente invention a pour objet un procédé de creusement d'excavations en terrain ébouleux ou aqui fère au moyen d'un bouclier, caractérisé en ce qu'il consiste à former et à maintenir un matelas de liquide thixotrope à l'extrémité avant du bouclier, entre le front de taille et une cloison transversale du bou clier, à détacher le terrain sur le front de taille, au moins par simple désagrégation spontanée de celui-ci résultant de l'amenée du liquide thixotrope, et à éva cuer les déblais vers l'espace situé en arrière de la cloison transversale du bouclier, par des ouvertures obturables pratiquées dans ladite cloison.
L'abattage du terrain peut résulter de l'action du liquide et peut être assisté, en cas de besoin, par des engins opérant devant le matelas thixotrope, par exemple par des engins mécaniques, tels que des vis à tête de coupe. Les engins de ce genre peuvent tourner dans un tube porteur, où ils sont disposés de manière que la tête de coupe n'achemine que de la terre et de l'eau.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple, fera bien compren dre comment l'invention peut être réalisée.
Les fig. <I>1a, lb,</I> 1c, 1d et le représentent sché matiquement des coupes longitudinales du front de taille, à des stades successifs différents de l'opération.
La fig. 2 est une vue en section longitudinale d'une première forme de réalisation d'un bouclier, à plus grande échelle et schématiquement. La fig. 3 est une section transversale suivant la ligne III-III de la fig. 2, sur laquelle ne sont repré sentés ni la terre ni le liquide thixotrope.
La fig. 4 montre en coupe longitudinale une variante de réalisation du bouclier d'avancement.
La fig. la montre la position qu'occupe le bou clier 1 au début des travaux d'excavation. La terre 4 remplit entièrement l'espace se trouvant devant la cloison transversale 12 du bouclier, de type connu en soi. Ainsi qu'il ressort .aussi des fig. 2 et 3, la cloison transversale 12 est traversée vers son point le plus bas par une conduite 2, destinée à l'évacuation de la terre enlevée par le bouclier 1.
La conduite 2 peut avantageusement coulisser longitudinalement dans la cloison transversale 12, afin que son extrémité anté rieure puisse être amenée, par exemple, de la position suivant la fig. la à celle suivant la fig. 1d. A la place d'une conduite unique 2, il est possible d'en prévoir plusieurs.
Vers le bord supérieur de la cloison trans versale 12 est installée une tubulure 3, par laquelle le liquide thixotrope est injecté dans la chambre du bouclier située en avant de la cloison transversale 12. Dans l'exemple de réalisation représenté, la tubu lure 3 sert également à ramener le liquide thixotrope de la chambre précitée à la chambre sans pression 12' du bouclier, au cours de l'avancement de celui-ci. Il est possible toutefois de prévoir une tubulure par- ticulière pour le retour du liquide thixotrope.
Pour ces opérations d'introduction et d'extraction du liquide, il peut également être prévu, ainsi que l'indi que la fig. 3, plusieurs tubulures 3 assujetties sur le bord supérieur de la cloison transversale 12, ainsi que sur d'autres parties de cette cloison. Les condui tes 2 et les 'tubulures 3 sont toutes munies de vannes non représentées, qui ouvrent ou ferment ces conduites.
Le liquide thixotrope, introduit sous pression en avant du bouclier, équilibre la pression du terrain et de l'eau que celui-ci contient et assure, en outre, un effet de colmatage qui interdit toute irruption d'eau en provenance du front de taille. De plus, le liquide assure l'étanchéité du passage des conduites coulis santes à travers la cloison du bouclier. Le travail au bouclier se déroule comme suit Dans la position du bouclier 1, suivant la fig. la commence l'injection du liquide thixotrope, par la tubulure 3, dans la chambre située en avant de la cloison transversale 12.
Ce liquide remplit progres sivement l'espace 6 pour former un matelas, comme le montrent les fig. <I>lb,</I> 1c et 1d ; la terre chassée par le liquide thixotrope, surtout lorsqu'elle est for tement aquifère s'écoule d'elle-même, ou bien elle est détachée au moyen d'outils spéciaux tournant dans la conduite de transport 2 (ou dans un ou plusieurs autres tuyaux non représentés), ou encore elle est chassée sous l'effet de la pression du liquide thixo trope injecté.
La surpression du liquide thixotrope régnant en avant du bouclier refoule ainsi la terre à travers les conduites 2 dans la chambre sans pres- sion 12' du bouclier (fi-, 2). A partir de cette cham bre, les déblais peuvent être acheminés par pompage ou par du personnel travaillant dans des conditions de pression normales, c'est-à-dire sans aucune sur pression, ou déversés mécaniquement dans d'autres appareils convoyeurs qui l'évacuent.
Pendant l'injec tion du liquide thixotrope, une tôle d'arrêt 7 ou un organe équivalent fixé au-dessus du débouché de la conduite 2 dans la cloison transversale 12, empêche le liquide de pénétrer dans cette conduite 2 dont l'ouverture se trouve alors en avant de la cloison transversale 12.
Dans la position représentée à la fig. 1c, l'inter- valle 6 contenant le liquide thixotrope possède ses dimensions maxima correspondant à l'équilibre du terrain, c'est-à-dire la pente du talus naturel d'ébou lement. A ce stade de travail, il est particulièrement avantageux d'utiliser une bande de protection 5 en matière plastique ou en une autre matière élastique ou éventuellement rigide, qui est fixée au voisinage de l'arête du bouclier et qui a pour mission d'empê cher le liquide thixotrope de s'échapper de la cham bre 6 du bouclier par le bord supérieur de ce der nier.
Dans la position suivant la fig. la, cette bande protectrice 5 est appliquée contre la face interne du bouclier, en raison de l'enfoncement de celui-ci ; au fur et à mesure de l'avancement du bouclier, la bande protectrice est repoussée par le liquide thixo trope contre le front de taille, aux divers stades de l'opération représentés aux fig. lb, lc et suivantes.
Au cours de la poursuite du travail, il peut être avantageux de faire avancer un peu plus profondé ment la conduite 2 dans la chambre antérieure du bouclier, afin d'augmenter les dimensions de la cham bre 6 contenant le liquide thixotrope. Ce stade final de la phase d'excavation est représenté à la fig. 1d. L'extraction de la terre par la conduite 2 est alors interrompue par fermeture de la vanne disposée sur cette conduite.
Cette vanne peut également être actionnée pendant les opérations antérieures, afin que le volume de terre extrait ne soit pas supérieur à celui du liquide thixotrope introduit par la tubulure 3, étant donné que ce liquide doit agir en permanence avec une légère surpression par rapport à la pression hydrostatique.
La fig. le montre la phase d'avancement du bou clier, au cours de laquelle la chambre 6 renfermant le liquide thixotrope, ou le matelas de liquide occu pant cette chambre, diminue de volume, tandis que le liquide thixotrope en excédent est extrait du mate las vers l'intérieur par la tubulure 3, éventuellement complétée par d'autres tubulures.
Le matelas con serve néanmoins toujours ses dimensions<U>minim</U>a sui vant la fig. le et le front de taille demeure recouvert en permanence par le liquide thixotrope, qui en assure la stabilisation. Après mise en place d'étan çons annulaires, à l'extrémité postérieure du bouclier, ou soutènement de l'excavation pratiquée, le bou clier est déplacé en avant de la quantité voulue, les presses sont ramenées dans leur position d'origine, puis les diverses opérations recommencent confor mément aux fig. 1 b à 1 d.
Les fig. 2 et 3 représentent, avec plus de détails, le bouclier, en coupe suivant deux directions diffé rentes. En dehors des éléments précédemment décrits, le bouclier comporte des tôles 8, soudées au voisi nage de son plan diamétral horizontal et qui ont pour mission d'empêcher le liquide thixotrope de progresser contre la face interne de la cloison du bouclier perpendiculairement à l'axe longitudinal de celui-ci, au lieu d'exercer une pression en surface sur tout le sol du front de taille et de refouler les déblais dans la conduite d'évacuation.
La fig. 2 mon tre également une vanne 9, installée dans la con duite 2, ainsi que des presses 10, qui assurent l'avan cement du bouclier. Sur la fig. 2 est représenté, en outre, le dernier cintre de soutènement posé, qui est désigné par 11.
Dans la forme de réalisation du bouclier suivant la fig. 4, il est prévu, à une certaine distance en arrière de la cloison transversale 12, une deuxième cloison transversale 13. Ces deux cloisons sont tra versées par un tube central 14, susceptible de coulis ser longitudinalement, dont l'extrémité antérieure tournée vers le front 20 de taille est munie d'un bras de guidage radial 15, qui peut tourner à l'intérieur du matelas de liquide thixotrope 6. Le bras de gui dage 15 peut, à cet effet, tourner sur le tube 14 ou en même temps que celui-ci.
Sur le bras de guidage 15 est monté un dispositif de fouille 16, en forme de godet excavateur ou de cuiller, susceptible d'être déplacé alternativement dans un sens et dans l'autre sur toute la longueur du bras 15 et pourvu d'un ou de plusieurs outils tranchants 17.
Ces outils n'agis sent qu'au cours du déplacement du dispositif de fouille 16 de la périphérie du bouclier 1 vers la direc tion du tube 14 et sont articulés, à cet effet, sur le bord extérieur d'une ouverture 18 pratiquée sur la face du godet 16 tournée vers le front de taille, de manière à se relever vers le front de taille 20 et à être maintenus dans cette position malgré la résis tance du terrain lors du déplacement du dispositif de l'extérieur vers l'intérieur, c'est-à-dire vers le tube 14. Pendant le déplacement inverse du godet 16, du tube 14 vers l'enveloppe du bouclier, l'outil de coupe 17 se rabat et vient s'appliquer contre la paroi latérale du godet 16.
Celui-ci est fermé à son extré mité orientée vers l'enveloppe du bouclier, tandis qu'il porte une ouverture de vidange tournée vers le tuyau 14, qui est ouverte en permanence, mais peut également être obturée.
A chacune de ses courses utiles, c'est-à-dire à chacun de ses déplacements sur le bras de guidage 15, de l'extérieur vers l'intérieur, dans la direction du tube 14, c'est-à-dire de l'axe du bouclier, le godet excavateur 16 découpe sur le front de taille une bande radiale de terre, tandis que le terrain mis à nu et que le godet n'a pas saisi est aussitôt stabilisé par le liquide thixotrope du matelas 6. La terre déta chée par l'outil articulé de coupe 17 est évacuée vers le tube 14, en traversant l'ouverture ménagée dans le fond du godet 16. Après sa course de travail, celui-ci est ramené vers l'enveloppe du bouclier en même temps que son outil de coupe se rabat contre sa paroi, pour pouvoir exécuter une nouvelle opéra tion.
Pendant ou après cette course de retour de la benne, il est possible de faire tourner le bras 15 d'un angle égal à celui que nécessite la coupe suivante, de sorte que le godet excavateur 16 peut ainsi creu ser, par bandes radiales successives, toute la surface du front de taille.
Dans chacune des positions d'arrêt du bouclier 1, le tube central 14 peut servir en même temps à faire avancer le front de taille d'une certaine quantité ; à cette fin, il est repoussé vers l'avant de cette quan tité, par exemple après achèvement de toutes les coupes radiales successives.
Par une translation axiale convenable du tube 14, il est possible également de faire varier la profondeur d'attaque de l'outil de coupe articulé 17, en réglant la distance axiale entre le bras tournant 15 et la cloison transversale 12, de manière que l'outil 17 ne puisse saisir, pendant sa course utile, que de la terre ou, à l'extrême limite, de la terre et du liquide thixotrope, dans une pro portion susceptible d'être réglée par un positionne ment axial convenable du tube 14.
Si cette position est telle que l'outil de coupe 17 ne travaille que dans le terrain, la terre détachée et l'eau qu'elle contient éventuellement peuvent être amenées, sans entrer en contact avec le liquide thixotrope, lorsque l'ouverture de vidange du godet est formée, jusqu'au tuyau 14 qui évacue ainsi la terre pouvant être mélangée d'eau. Dans le cas contraire où l'outil de coupe 17 travaille dans la zone limite entre le liquide thixotrope et le terrain, la terre détachée est amenée au tuyau 14 sous la forme de déblais enrobés de liquide thixo trope.
Ce mélange grossier est repris dans un désagré- gateur 19, disposé au centre du bouclier, qui ameu blit ce mélange et le transforme en un mélange plus intime de déblais et de liquide thixotrope facile à véhiculer. Ce mélange est distribué au tube 14, grâce à un transporteur mécanique, hydraulique ou pneu matique non représenté, qui le conduit dans la cham bre 21 du bouclier située derrière les cloisons trans versales 12 et 13. Le débit du mélange transporté peut être réglé à l'aide d'une vanne 22.
Dans la chambre 21 du bouclier, le mélange peut être repris par un séparateur centrifuge, qui sépare les déblais du liquide thixotrope. Le liquide ainsi épuré peut être ramené, par la tubulure 3, au mate las 6 se trouvant devant la cloison transversale 12. Le tube central 14 assurant l'évacuation du mé lange de déblais et de liquide thixotrope peut être remplacé par une ou plusieurs conduites de trans port, disposées à un autre emplacement du bouclier. Il est possible également de prévoir plusieurs bras tournants tels que 15, munis chacun d'un godet excavateur.
Le mouvement alternatif de translation du dis positif de fouille 16 sur le bras radial de guidage 15, combiné à la faculté de coulissement longitudinal du tube 14, permet de donner une forme quelconque à la coupe en long du front de taille ; pendant le mouvement radial du godet 16 constituant le dispo sitif de coupe, le tube 14 peut être, à cet effet, déplacé axialement en avant vers le front de taille. Suivant le rapport entre les vitesses de cette translation axiale et du mouvement radial, le front de taille peut donc présenter en section longitudinale la forme d'un arc de cercle, d'un arc d'ellipse ou d'une autre courbe quelconque.
En interrompant le mouvement radial du godet excavateur 16 et en continuant de faire avancer axialement le tube 14, il est possible de conférer à la section longitudinale du front de taille une forme polygonale.
Dans le procédé décrit, les conditions dans les quelles se trouve le terrain au point de vue de la teneur en eau et de la pression, peuvent être déter minées au préalable au moyen de sondes, ou par application de méthodes géophysiques, ou encore par des mesures de densité effectuées à l'aide d'isotopes radioactifs. Les conditions de travail, notamment la pression et la quantité de liquide thixotrope formant le matelas, peuvent ensuite être fixées d'après les résultats de ces mesures.