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Un tunnel est plus qu’un simple espace souterrain. C’est un connecteur – de personnes, de communautés, de pays. Cela peut élargir les opportunités économiques. Mais construire un tunnel prend beaucoup de temps. Les tunneliers (TBM) ont amélioré la vitesse à laquelle ces projets de construction massifs sont achevés. Dans cet article, nous discutons des différents types de TBM et de leur fonctionnement.
Le Premier tunnelier
Le tunnel de la Tamise a été le premier tunnel sous-marin à être achevé. Il a fallu 18 ans pour construire et a finalement été ouvert au public en 1843. Le travail a été possible grâce à l’utilisation d’un tunnelier conçu par l’ingénieur Marc Brunel et son père, Isambard Kingdom Brunel. Contrairement aux TBM d’aujourd’hui, la roche a été retirée manuellement. Chaque travailleur se tenait dans une cellule de ce qui était essentiellement une cage de fer. La cage (également appelée bouclier) a été avancée d’environ six pouces et le creusement se poursuivait.
Les quatre systèmes d’un tunnelier
Un tunnelier a quatre systèmes de base :
Alésage
Le système d’alésage coupe la roche. Il a une tête de coupe montée avec des couteaux à disque. La tête de coupe tourne et presse les disques de coupe contre sa face. Cela crée un mouvement de découpage. La haute pression exercée par la tête de coupe est supérieure à la résistance à la compression de la roche et la broie avec une relative facilité. Le type de tête de coupe et de coupe-disques utilisés est basé sur le type de roche.
Poussée et serrage
Le système de poussée et de serrage du TBM est chargé de faire avancer la machine via des vérins hydrauliques. Le serrage limite la poussée au besoin.
Élimination de la boue
La roche et le sol enlevés par la tête de coupe peuvent être mélangés à de l’eau ou à d’autres substances pour créer une « boue » plus facilement éliminée. Généralement, un convoyeur à vis tire la boue vers une bande transporteuse standard où le matériau est finalement emmené à l’extérieur du tunnel et éliminé.
Support
Le tunnelier doit être protégé contre les chutes de matière qui l’entourent lorsqu’il se fraye un chemin. Les systèmes de support pour protéger le TBM des zones de faille comprennent les tuyaux, l’injection de coulis, les boulons de roche et la congélation utilisés au-dessus ou devant la tête de coupe. Un système de support de bouclier de toiture peut être utilisé pour protéger les travailleurs qui se trouvent derrière la tête de coupe lorsque le TBM avance dans la roche fracturée.
Principaux types de tunneliers
Il existe deux classifications principales des tunneliers: bouclier ouvert et bouclier fermé. Les TBM Open shield peuvent avoir un seul bouclier ou un double bouclier. Ce type de TBM ne fournit qu’un support latéral. Les TBM à bouclier fermé offrent un soutien latéral et frontal.
Exemples de tunneliers
Les tunneliers continuent de devenir plus gros et plus sophistiqués. La société Robbins est l’un des principaux fabricants de TBM aux États-Unis. En fait, le fondateur de l’entreprise, James Robbins, a conçu et fabriqué le premier tunnelier moderne en 1952. Il a été utilisé dans le projet de barrage Oahe du Dakota du Sud. La société Robbins classe cinq tunneliers spécifiques:
Fonctionnement d’un tunnelier
Les tunneliers à faisceau principal sont utilisés pour percer rapidement des roches dures. Ils sont un type ouvert de TBM. La tête de coupe a le même diamètre que le tunnel. Les vérins hydrauliques propulsent les couteaux dans la roche dure lorsque la tête de coupe tourne. Pendant ce temps, un système de préhension flottant pousse contre les parois du tunnel. La pince reste bloquée en position. Les cylindres propulseurs s’étendent et la poutre principale déplace le TBM vers l’avant. Il y a un convoyeur à bande dans la poutre principale qui déplace la boue des godets à l’intérieur de la tête de coupe rotative vers l’arrière du TBM. Les vérins propulseurs se rétractent, ce qui repositionne à son tour l’ensemble de préhension. Le processus d’alésage se poursuit après l’extension des pinces et la levée des pattes arrière.
Double bouclier
Ce TBM de type ouvert est utilisé pour traverser un sol difficile à une vitesse comparable à celle d’une machine à faisceau principal. Bien qu’il s’appelle un Double bouclier, il a en fait trois boucliers: un bouclier télescopique, un bouclier de préhension et un bouclier de queue. Le bouclier de préhension pousse contre les parois du tunnel tandis que les vérins de propulsion principaux poussent le support de tête de coupe et la tête de coupe vers l’avant. Le bouclier télescopique s’étend au fur et à mesure que la machine se déplace et s’ennuie dans la roche. Tout le TBM est protégé du sol tout autour. La machine perce simultanément la roche et érige le revêtement du tunnel. Cette opération a lieu à l’intérieur du bouclier arrière.
Bouclier unique
Le TBM à bouclier unique est utilisé pour les roches fracturées massivement. Le corps du TBM est enfermé dans un bouclier légèrement plus petit que le tunnel lui-même. De cette façon, les travailleurs sont protégés de la roche brisée jusqu’à ce que le revêtement du tunnel soit installé. L’érection du perçage et du revêtement du tunnel se fait de manière séquentielle.
Les tunneliers à passage croisé
Les tunneliers à passage croisé sont utilisés pour le tunneling au sol mixte. Ce TBM remplace la nécessité d’utiliser plusieurs machines pour manipuler une variété de types de sol. Cependant, pour fonctionner en toute sécurité, les TBM croisés nécessitent des données géologiques précises.
Balance de pression à la Terre
Les machines d’équilibrage de pression à la Terre sont un TBM de type fermé. Ils sont utiles pour percer des roches altérées ou dans des sols mous sous la nappe phréatique. En particulier dans les zones urbaines où l’affaissement de la surface du sol doit être réduit au minimum. La machine Robbins Company EPB utilise un bouclier articulé capable de supporter une pression d’entrée d’eau allant jusqu’à 10 bars. Ce TBM stabilise la face du tunnel et l’affaissement de la surface du sol en ajustant la pression à l’intérieur de la chambre de tête de coupe pour la maintenir en équilibre avec la pression devant la tête de coupe. Le revêtement du tunnel est érigé après chaque poussée. Les joints haute pression dans le bouclier arrière protègent la machine contre la pression au sol.
L’environnement de travail TBM
Un tunnelier est un environnement autonome pour les travailleurs. Il dispose d’installations telles que des bureaux, une cuisine et une cafétéria et des toilettes. Comme tout environnement de travail, est soumis aux règles et réglementations étatiques et fédérales.
Résumé
Les tunneliers nous ont permis de créer des liens entre des personnes et des lieux qui étaient autrefois impensables. Les machines deviennent de plus en plus grandes et sophistiquées. Mais chaque TBM peut être réduit à quatre systèmes principaux: alésage, poussée et serrage, enlèvement de boue et support. Les différents types de TBM gèrent une variété de situations de sol et d’environnements différents – des sous-marins aux sous-villes. Les tunneliers continueront de répondre aux besoins changeants de notre monde complexe.
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