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MTBM01 – Formation Micro-tunneliers et tunneliers

Identifier les techniques et équipements fréquemment utilisé dans la méthode de

forage horizontal en micro-tunnelier

mailto:[email protected]



Introduction :

La méthode de forage en micro-tunnelier est en progression technologique constante. Ses avantages évidents surtout

en travaux urbains en font une méthode de forage horizontal très populaire.

Les techniques et équipements sont de plus en plus interdépendant des fabricants et fournisseurs. Ainsi, il peut y avoir

des différences sensibles entre deux équipement équivalent. Le choix de la méthode implique aussi d’établir des choix précis

quant à certains éléments comme la technique d’évacuation des matériaux, le choix du type de « shield », les dimensions

des « Launch-pit ». Ces éléments devront être établis selon la longueur, le diamètre et le type de sol rencontrés !

Il est toujours très intéressant de s’informer auprès des différents constructeurs comme :

www.herrenknecht.com

www.akkerman.com

www.therobbinscompany.com

Les capacités (distance, diamètre, méthodes) sont différentes selon chaque fabricant.


http://www.herrenknecht.com/

http://www.akkerman.com/

http://www.therobbinscompany.com/



Principes de Base des Micro-Tunneliers

Usuel / non-conventionnel

Bien que de « petite » dimension, le diamètre foré n’est pas nécessairement un critère distinctif de cette méthode.

Certains fabricants peuvent fournir des micro-tunnelier d’un diamètre au-delà de 4 500 mm. Habituellement on parle de

diamètres de 600mm à 3500mm.

A la différence du tunnelier, le micro-tunnelier est habituellement piloté de la surface. Il n’y a donc pas de personnes

à l’intérieur du micro-tunnelier. Certains toutefois offrent des postes de pilotages internes (Open Shield par exemple)

La longueur moyenne de forage est de 300 mètres environ. Pourtant certains nouveaux équipements permettent

d’étendre le champs d’action du micro tunnelier à plus de 1 000 mètres (Direct Pipe).

On comprend donc toute la difficulté d’établir tant le choix que la faisabilité de l’utilisation de la méthode en

micro tunnelier. Nous allons nous atteler à identifier les équipement et méthodes existantes ainsi que les conditions

idéales de réalisation !




Définition usuelle

Certains points définissent usuellement ce qu’on appelle un micro-tunnelier :

1. Ce sont des équipements pilotés à distances

2. Ils ne possèdent qu’une méthode d’excavation : La roue ou tête de découpe

(Cutterhead)

3. La propulsion est hydraulique

4. Les conduits insérés sont en béton ou en acier (ou mixte)




La tête de découpe (Cutter Head)

La tête de découpe permet l’excavation du sol, cette dernière est souvent équipée de cône réducteur en arrière

permettant à la fois l’acheminement et la réduction des matériaux excavés.

On retrouve habituellement trois types de têtes de découpe :

• Tête pour sols meubles

• Tête pour sols mixtes (cailloux & blocs)

• Tête pour le roc




Cône de réduction




Face mixte




Face pour sol meuble




Insertion des conduits : Propulsion et Lubrification

L’objectif du micro-tunnelier est double : Excaver le tunnel & insérer les conduites. Pour ce faire, il

nécessite une série d’étape et de tâche liées entre elles :

• L’insertion des conduits : Le système d’insertion des conduits par poussée

• La propulsion : L’équipement fournissant la poussée nécessaire à la fois pour l’excavation, la mise en

pression de la face avant assurant l’étanchéité et la poussée pour insérer les conduits

• La lubrification pour augmenter les performances, réduire les frictions nuisant à l’avancement et aussi

faciliter l’excavation et l’acheminement des matériaux excavé.




Propulsion ou « Jacking »

Le « Jacking frame » ou système de propulsion hydraulique est spécifique à chaque constructeur.

Cependant, cette méthode de poussée et d’insertion est relativement commune à tous les équipements.

Avant d’installer ce qu’on appelle le « jacking frame » comprenant le support du système de poussée

hydraulique et les vérins de poussée, il faut au préalable excaver et réaliser le puits de départ ou de

lancement du futur forage.




Lauching Pit / Launching shaft / puits de départ ou de lancement

Usuellement, c’est un puits d’environ 9 mètres de long par 2.4 mètres de large mais il est lié à la

dimension du forage. On retrouve par facilité d’excavation et pour l’espace que cela peut procurer,

fréquement, des puits circulaires

La plupart des puits de départs sont d’une profondeur importante. Pour ces raisons, il est fréquent que

l’excavation des puits se face par :

• Palplanches

• Gaine d’acier

• Berlinoise

• Pieux

• Betonnage injecté

La réalisation des puits de départ peut-être une étape couteuse et complexe.




Le fond du puits est fréquemment bétonné pour permettre l’ancrage des équipements. L’arrière du

puit doit offrir un support résistant permettant l’appui et la récupération des efforts de poussé. Ces derniers

sont fournis par les équipementiers.

On utilise usuellement un « jacking frame » constitué d’une cage ou demi-cage métallique ainsi que des

rails permettant l’installation à la fois du système de propulsion hydraulique que du micro tunnelier et des

feuilles que l’on va pousser.




C’est le « jacking frame » équipé des vérins hydrauliques qui va pouvoir permettre d’exercer la poussée.

Lorsque l’équipement est installé, on peut alors placer le micro tunnelier.

Le micro tunnelier va commencer à forer sans conduite pour débuter.

Lorsque le micro tunnelier aura réaliser ses premiers mètres de forage, il sera alors opportun d’installer

une première feuille à insérer.

A des fins de lubrification, des ports sont généralement installé dans les conduits à forer pour permettre

l’injection d’un liquide lubrifiant comme la bentonite.

Certains équipementiers ont développé des systèmes de lubrification perfectionnés

Exemple de caractéristique de stations :

MT860K / 60” (1,524 mm) / 800 ton @ 8,000 psi / (726 mt @ 550 bar) / MT8102K can be increased to 1,200 ton (1,090 mt) 16’ (4.9 m)




Système de lubrification par Herrenknecht :

Dans ses systèmes de micro tunneliers, Herrencknecht a introduit un système de lubrification de

l’espace annulaire contrôlé.

Ce système offre plusieurs intérêts :

• Contrôle des volumes de lubrifiant injecté assurant ainsi que les quantités de lubrifiants sont connue et

ainsi que le volume injecté est suffisant mais sans excès.

• Contrôle électronique et perception des données

• Système préassemblé de conduit installé dans chaque feuille de conduit foré

• La maitrise de la lubrification permet d’améliorer les portées à réaliser




Système de gestion de la lubrification feuille par feuille




La station intermédiaire de poussée :

Afin de pouvoir répartir les charges de poussée et de relayer la force (thrust) sans endommager les

conduites, il est possible d’installer une section intermédiaire de poussée.




Protégées dans une section de gaine métallique, elles permettent de reporter les efforts et de

coordonner l’ensemble des feuilles en termes d’avancement.

https://www.youtube.com/watch?v=oJSGtZKIz70


https://www.youtube.com/watch?v=oJSGtZKIz70



Trailing pipe & Lead pipe :

L’utilisation de la station intermédiaire engendre une problématique de jointure au niveau des

conduits. Afin de permettre, une fois les vérins de la station intermédiaire, l’emboitement adéquat des

conduits, le conduit précédant et suivant la stations doivent être adaptés (le plus souvent avec un double

joint écrasé circonférentiel pour le conduit « suivant ») pour arriver à ce résultat.

On appelle communément, le conduit poussé en avant de la station, le Lead pipe et le conduit poussé

en arrière, le trailing pipe.




Les conduits insérés à l’aide du micro-tunnelier

On retrouve plusieurs types de conduits qu’on peut insérer en micro-tunneliers. Les conduits doivent

répondre à certains critères.

• Les conduits vont subir la pression de poussée dans l’axe longitudinal

• Le conduit doit être « sans-cloches »

• Le conduit doit avoir un système de jointement compatible avec l’installation par « jacking » et

permettre de conserver l’étanchéité du joint malgré les efforts de poussé continue.

• Les types de conduits usuels sont :

o TBA

o TBA avec liner PVC ou PEHD

o Béton de résine

o Hyprescon – tuyau béton-acier

o Tuyaux PRV : Résine de Polyester

o Gaine d’acier




Les systèmes de guidage :

L’un des avantages du micro-tunnel, c’est sa précision. En effet, les systèmes de guidages utilisés

peuvent fournir des précisions presque millimétriques.

Bien que cette précision soit très fine, il est rare voire impossible que le résultat entre dans ce type de

résultats. Parfois, on peut entendre que la pose est d’une précision de +/-1 pouces mais même là, certains

facteurs doivent être pris en considération :

• Les spécificités du conduit foré

• Le type de sol et les obstacles potentiels rencontrés

• « L’overcut », c’est-à-dire le diamètre de forage supplémentaire VS le diamètre extérieur de la conduite

forée

• Le système de guidage en dernier point




Précision liée au conduit :

Les tolérances dimensionnelles varient beaucoup selon le matériau du conduit et elles augmentent avec le

diamètre. Ainsi on a pour un 48 pouces intérieur:

• RCP (béton renforcé) : 0.79 pouce

• VCP (Vitrified Clay pipe) : 1.44 pouce

• CCFRP (Résine) : 0.48 pouce

• PCP (béton polymer) : 0.48 pouce




Précision liée au type de sol : Bien que les micro tunneliers soient équipés pour faire face à des conditions

de sol changeantes, ces dernières peuvent avoir un impact variable et non-négligeable sur la précision du

forage.

• Strates de compacités très différentes : Le micro tunnelier aura toujours tendance à sur-excaver la

strate la moins compact ou la moins dense créant ainsi un risque de déviation difficilement rectifiable

dans cette direction.

• Socle rocheux : Un investigation géotechnique ne peut garantir les variations du socle rocheux. Ainsi, il

est tout à fait possible d’intercepter ce socle lors du forage. Il est donc évident qu’on a un risque

important de voir le forage se relever.

• Cailloux et blocs : D’important progrès ont été fait (mixed face) afin de permettre le forage de micro

tunnels dans des conditions mixtes comportant des cailloux et des blocs. La forte densité du sol

environnante et la rigidité des équipements permettent de compenser les risques de déviation. La

déviation n’apparait que lorsque le torque du micro tunnel en opposition à la mobilité ou non de

l’obstacle dans la partie meuble du sol sont inadéquat.

• Roc : Si les forages dans le roc sont généralement plus sécuritaires (HDD, Boring Machine), le risque

avec le micro tunnel est de voir une infiltration des cutting dans l’espace annulaire de l’équipement




entrainant un « bourrage » et donc une résistance plus important dans l’espace colmaté induisant ainsi

une déviation qui peut être notable et nécessitera possiblement d’importante corrections.




Précision influencée par « l’overcut » :

Comme montré dans le dessin précédent, selon le type de matériau, on a une ouverture généralement

d’environ ½ à ¾ po supérieure au diamètre de la conduite dans un sol meuble et environ 1po de plus dans la

roc.

La question légitime qui est posée est quelle est la position finale de la conduite dans ce trou ? Collée au

top ? Calée dans le fond ? Bien que la question soit pertinente, il n’existe actuellement aucun élément

permettant d’y répondre ou de s’assurer de la position finale.

Un élément important vient s’ajouter à cela, l’influence de la pression positive de la bentonite qui peut

pousser ou caler la conduite dans une direction.

On en vient finalement à la gestion de la précision par le système de guidage et conséquemment le système

de correction directionnel du microtunnelier.




Système de guidage et de correction du micro tunnelier :

Système de guidage laser :

Certains éléments sont à connaitre concernant les systèmes de guidage. Si un système est précis au niveau

millimétrique en termes de relevé, cela ne signifie pas que le forage sera lui aussi précis.

Avec un système de guidage laser, on considère qu’au mieux la précision verticale du forage est de l’ordre

de +/- 1po et au niveau horizontal de +/- 6po.

Le système de visée laser est « automatisé » sur la lecture verticale mais nécessite une intervention humaine

sur la lecture horizontale, ce qui explique les différences de précisions.

On peut parler de deux types de visée laser :

• Passive

• Active




Un système de caméra est installé en avant dans la tête du tunnel afin de pouvoir avoir une vue permanente

sur la cible.

Le laser (préalablement calibré sur la direction du forage) vise la cible en tout temps.

• Système passif : L’opérateur constate les déviations et établit manuellement les corrections nécessaires

à partir du poste de commande. Il interprète donc la lecture visuelle de la cible

• Système actif : La cible est photo sensible et renvoie donc des données plus précises de la déviation

permettant d’éviter l’étape interprétative de la lecture de ces dernières.

Le laser d’émission peut aussi être réalisé avec une station totale. C’est le cas lorsqu’on réalise des micro

tunnels avec courbe.




Des prismes motorisés installés dans la conduite permettent de relayer les informations de déviation. La

station totale permet alors de relever plusieurs « cibles » et d’établir un relevé précis de la courbe tout en

continuant de maintenir un guidage précis sur la tête de forage.

Guidage par station totale : http://www.tunneltalk.com/USA-Jul2010-First-planned-curved-microtunnel-in-

USA.php




Pour des tunnels de grandes longueurs ou alors comportant des courbes trop importantes ne permettant

pas l’utilisation des systèmes expliqué ci-avant, on va alors basculer sur un système gyroscopique de

localisation.

Cela implique la participation active d’un géomètre arpenteur pendant le forage.




Emprise et installation :

En termes d’emprise, l’espace nécessaire est assez variable.




Voici quelques exemples selon diamètres et longueurs :

• 15 m x 20 m pour un forage de 120 m et OD 800 mm




• 45 m x 4,5 m pour le même forage avec installation des équipementq dans la longueur




• 35 m x 25 m pour un forage de 500 m et OD 1800 mm




• Jusqu’à 55 m x 40 m pour des forages de plus gra nde dimension.




L’installation implique :

• Le puits de départ

o L’étançonnement est souvent critique compte-tenu des profondeurs importantes




Les méthodes traditionnelles d’excavations sont applicables. Le soutènement peut être réalisé par

l’insertion verticale de conduite circulaire en béton, par berlinoise et/ou palplanches.




L’excavation peut se faire en parois moulées :




La méthode consiste à excaver le « mur » directement dans le sol, insérer les armatures métalliques puis

couler le béton qui s’appuiera sur les pressions du sol qui serviront de coffrage. Une fois la paroi moulée

« séchée », on peut alors excaver.




Des systèmes d’ancrage au sol sont généralement requis pour reprendre la poussée des terres.




Berlinoise en plaques de béton préfabriquées.




L’autre élément à considérer pour la conception du puits de départ : La présence d’eau !

• Un joint de démarrage sera installé sur la paroi avant (il est souvent présent même en absence d’eau

afin de maintenir le liquide lubrifiant dans l’espace annulaire).

• Si on fore sous la nappe d’eau, la face d’attaque sera bétonnée et on percera au travers de cette

protection avant d’atteindre le sol à forer afin d’éviter toute venue d’eau et maintenir l’étanchéité du

puits de départ. Le coulis de béton utilisé sera suffisamment solide pour maintenir la nappe d’eau à

l’extérieur du puits mais suffisamment friable pour être facilement excavé par la tête du micro

tunnelier.




La dimension de l’ouvrage est directement liée à la dimension du puits à réaliser !




Performances et améliorations :

Comme toute méthode sans tranchée, on ne peut pas considérer avoir atteint les limites que cette méthode

offre. Des projets « extrêmes » ou expérimentaux montrent souvent de nouvelles performances. L’évolution

des technologies et la construction de machines plus performantes permettent de rendre des projets

considérés comme risqués de plus en plus simples.

On peut estimer que la longueur maximal atteinte est déjà proche du 1 000 m.

Les plus petits rayons de courbures réalisés à cette heure son de 300 m. Réaliser un projet avec un rayon de

courbure de 300 m est actuellement envisageable.




Nouveautés et innovations technologiques :

• Accessibilité aux outils de découpe : Maintenant certain micro tunneliers permettent un accès

sécuritaire à un homme pour intervenir dans le cadre d’une réparation ou d’une modification jusqu’à

la face avant du micro tunnelier grâce à des sas d’entrée

• Précision : sur des projets de longues distances et dépendamment des conditions des géotechniques,

on évalue que la précision peut être aussi fine que : 5 mm en élévation et 20 cm en latéral.




Micro Tunnelier : Eléments de conception

Le calcul de la force de poussée

• Généralités

La force de poussée nécessaire pour installer le pipeline doit être prévue / calculée dans la Phase de

conception du projet. Étant donné que la capacité de l'éjecteur de tuyaux est limitée, le succès de

l'installation de conduites longues est fortement liée à la précision de la force de poussée prévue. La

prédiction de la force de poussée et la comparaison de la force avec le propulseur de tuyau, devrait être

calculée avant de commencer l'installation du pipeline.

La force de poussée nécessaire pour pousser le pipeline dans le trou de forage a été étudiée à l’aide des

calculs d'éléments finis à l'aide du logiciel ABAQUS ou équivalent.

Dans l'analyse, les mécanismes suivants sont incorporés, qui contribuent à évaluer la force de poussée:

1. Friction de la canalisation derrière le propulseur (sur les supports / rouleaux)

2. Friction entre la canalisation et le fluide lubrifiant.

3. Force frontale à la tête de coupe de la machine




4. Friction entre la canalisation et la paroi du forage.

5. Friction due au flambage du tuyau.

Seul le premier mécanisme est calculé séparément, car la canalisation sur les rouleaux est située derrière le

poussoir. Les autres éléments ont une forte interaction les uns avec les autres qui sont décrites par les

simulations non linéaires d'éléments finis.

Par exemple, la force de poussée globale crée les forces dites de "cabestan" dans les sections incurvées de

la ligne de forage.

Dans les paragraphes suivants, les mécanismes mentionnés sont décrits et analytiques

Les expressions sont données, qui peuvent être utilisés à des fins de conception.




Friction de la canalisation derrière le propulseur sur les rouleaux – Calcul : La théorie développée pour la méthode de forage directionnel horizontal [4] fournit les éléments suivants : Formule générale de frottement pour la section du pipeline qui se trouve en dehors du trou de forage sur des rouleaux :

Puisque la conduite (modèle de calcul en HDD, n’oubliez pas !) peut être soudé pendant l'installation, différentes longueurs de segments peuvent être appliquées, la longueur de la conduite en dehors du forage augmente si un nouveau segment est ajouté et diminuer en petit à petit avec l’insertion.




La pente d’insertion peut aussi avoir une influence dans le calcul : Notons que dans certains cas, avec un angle d'entrée relativement élevé et des segments de tuyau courts relatifs, il est possible d'obtenir une valeur négative pour la force de frottement.

Force frontale au niveau de la tête de coupe de la machine Le forage dans le sol modifie les conditions de stress dans le sol. Les écarts par rapport aux conditions de contrainte originales sont en grande partie déterminées par la taille de la surcoupe et la face de pression de support du bouclier appliqué. De petites déviations des conditions des contraintes originales sont acceptable étant donné que la stabilité du sol devant la machine est maintenue. Une pression de soutien relativement faible peut conduire à une déviation importante. Une pression de support relativement élevée peut entraîner une fuite du fluide de forage ou un impact sur l’infrastructure en surface.




La pression est souvent un peu plus élevée que la pression de l'eau. Le minimum relatif exigé minimal de pression du support pour stabiliser le sol devant la machine est déterminé par le type de sol devant la machine à tunnelier.

Outre la pression de maintien de la face, une force mécanique relativement faible est nécessaire pour faciliter la pénétration de la roue de coupe. La force avant totale peut être calculée comme suit:




Cette force avant dépend de l'emplacement de la machine sur la ligne de forage et peut être calculé pour divers emplacements le long de la ligne de forage

Friction entre la canalisation et la paroi du trou de forage Au point d'entrée, près de l'éjecteur de tuyau, le pipeline est poussé dans le trou de forage. En supposant que le tuyau est centré dans le trou de forage, il y a une distance sur laquelle le conduit ne touche pas la paroi du trou de forage. La longueur sur laquelle aucun contact entre la paroi du trou de forage et la conduite existe dépend de la rigidité et le poids effectif du conduit (dans le fluide lubrifiant) et peut être calculé comme suit :




Le frottement entre le conduit et la paroi du forage est en général modélisé en multipliant la force que le conduit exerce sur le sol (perpendiculairement à la ligne de forage) par le coefficient de frottement. Ce calcul de frottement a été utilisé pour la méthode de forage directionnel horizontal pendant de nombreuses années. Le frottement peut être exprimé comme suit:

D'après les études de forage directionnel horizontal, il semble que f3 = 0,2 est une valeur commune. La réaction du sol q, peut être positif ou négatif selon que le conduit touche la partie supérieure ou inférieure. Dans la section incurvée de la ligne de forage, la réaction du sol due à la flexion du conduit peut être calculée:




La réaction maximale du sol à la fin de la courbe est utilisée pour déterminer le facteur « a » :

Le facteur a est utilisé pour calculer la contribution de la force de réaction du sol dans la section courbe




à la friction. La formule suivante donne le frottement au début ou à la fin de la courbe :

Comme expliqué précédemment, les forces décrites précédemment ont une forte interaction les unes avec

les autres.

Les forces dites de "cabestan" dans les sections incurvées de la ligne de forage doivent être prises en compte.

La force de frottement totale, accumulée dans une section incurvée Fpend peut être calculé en fonction de

la force friction totale au début de la section incurvée Fp.

Si alors calculez la force de frottement totale à la fin du virage en utilisant les valeurs suivantes




Si (Ce qui est toujours le cas si est négatif). Ou d’après le résultat:

Alors utilisez l'équation suivante pour calculer la force totale de frottement à l'extrémité de la section courbe

L'idée de base sous-jacente à ces équations est que si le conduit est flottant, une force de poussée aura pour

effet de réduire la réaction du sol (et le frottement du sol-conduit). Dans le cas d'un résultat négatif ou d’un

petit poids effectif, une force de poussée augmentera le frottement du sol-conduit.




Friction due au flambage du tuyau. La force de poussée nécessaire pour surmonter les forces de frottement peut augmenter à un niveau tel que le flambage du pipeline peut se produire. Le processus de flambage est représenté sur la figure 5 et est dépendant de la rigidité du tuyau. La rigidité du tuyau dépend à son tour du matériau du conduit et la combinaison du diamètre extérieur et de l'épaisseur de paroi.

Dans le cas où le nombre de modes de flambement dans la canalisation et la force de poussée F sont connus, la force de contact totale peut être calculée. Pour la détermination du nombre de modes de flambement, il est nécessaire d'appliquer une schématisation du pipeline dans le forage (figure 6).




Pour les modes de flambement N dans le pipeline, la longueur d'onde de flambage es

La formule décrite ci-dessus est utilisée pour dériver la force de frottement due au flambage du tuyau. Cette force de frottement peut être calculée comme suit :




EXEMPLE :

Dans les paragraphes précédents, les formules ont été utilisées pour calculer le total de Forces de frottement,

qui est égale la force de poussée, pour deux projets de canalisation directe. Les projets ont été effectués aux

Pays-Bas à proximité d'Ommen.

Projet de 48 pouces :




Résultats mesurés VS calculés :

Au point d'entrée, la force de poussée est passée de 640 kN à 830 kN après que la machine ait été au repos pendant 16 heures.

À L = 36 m, la force de poussée est passée de 430 kN à 1320 kN après que la Machine n’ait pas fonctionné pendant environ 2

jours. Les forces de poussée mesurées entre L = 250 m et le point de sortie sont pour la plupart supérieurs à ceux calculés.




Equipements et caractéristiques : ROBBINS




Equipements et caractéristiques : Akkerman -jusqu’à 114 pouces




Equipements et caractéristiques :


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