Les machines à alésage en tunnel (TBM) sont des équipements sophistiqués qui ont révolutionné la construction souterraine. Ce sont essentiellement des usines mobiles conçues pour creuser des tunnels avec un minimum de perturbation pour le terrain environnant.
Comment fonctionnent les TBM: le processus fondamental
Le fonctionnement central d'un TBM implique plusieurs étapes continues:
-
Excavation: À l'avant du TBM se trouve une tête de coupe massive et rotative. Ce disque en acier est équipé de divers outils de coupe, tels que des coupe-disques pour les bits de roche dure ou des coupeurs et les grattoirs pour un sol plus doux. Lorsque la tête de coupe tourne, elle broyait, gratte ou cisaille le matériau à la face du tunnel.
-
Retrait de la boue: Le matériau excavé, connu sous le nom de «boue», tombe à travers des ouvertures dans la tête de coupe dans une chambre. À partir de là, il est généralement transporté par un convoyeur à vis (pour les TBM à sol mou) ou chargés sur une série de ceintures de convoyeur (pour les TBM de la roche dure) qui coulent la longueur du tunnel. Cette boue est ensuite retirée en continu à la surface pour l'élimination ou le recyclage.
-
Poussée et avance: Le TBM est propulsé vers l'avant par de puissants cylindres de poussée (prises) situés derrière la tête de coupe. Ces cylindres poussent contre les segments de doublure du tunnel précédemment installés, créant la force nécessaire pour faire avancer la tête de coupe dans le sol.
-
Installation de doublure du tunnel: Immédiatement derrière la tête de coupe, dans la coquille protectrice du TBM (le bouclier), se trouve l'érecteur. Ce bras robotique ramasse des segments de béton préfabriqués (des pièces trapézoïdales incurvées) et les place méticuleusement pour former un anneau complet de la doublure du tunnel. Ces segments sont boulonnés ensemble, créant une structure solide, étanche et permanente qui soutient le sol et forme la paroi du tunnel fini.
-
Groutage: Une fois qu'un anneau de segments est installé, le vide entre l'extérieur des segments et le sol excavé (le "vide de queue") est immédiatement rempli d'un coulis spécialisé. Ce coulis se solidifie, fournissant un support supplémentaire à la doublure du tunnel, en empêchant la colonie du sol et en assurant un ajustement serré.
-
Direction et navigation: Les TBM sont équipés de systèmes de guidage laser sophistiqués et d'instruments d'arpentage. Les opérateurs peuvent contrôler avec précision la direction du TBM en ajustant la poussée des prises individuelles, en variant la vitesse de rotation de la tête de coupe ou en utilisant des joints d'articulation dans la machine. Cela leur permet de maintenir l'alignement et le gradient prévus, même en naviguant des courbes.
-
Tableau de fuite (système de secours): Derrière le corps TBM principal, une série de portiques ou de bandes-annonces articulées (le "système de secours") suit. Cet équipement de fuite abrite des systèmes de soutien essentiels, notamment:
- Salles d'alimentation et de contrôle
- Systèmes de ventilation
- Convoyeurs d'élimination de la boue
- Pompes à coulis et plantes de mélange
- Lignes d'eau et de services publics
- Équipement d'accès au personnel et de sécurité.
Types de TBM et leurs applications
Le choix du type TBM est critique et dépend fortement des conditions géologiques du sol à tunneler:
-
TBMS Hard Rock (TBMS à grippe ouverte / TBMS Hard Rock à blindage): Ces TBM sont conçus pour des formations de roche solides. Ils utilisent des coupe-disques qui créent des micro-fractures dans la face rocheuse.
- TBMS Open-Gripper: Avancez en saisissant contre les murs du tunnel (roche) avec des coussinets de pince.
- TBMS Hard Rock blindés: utilisés lorsque les conditions de roche sont fracturées ou mélangées, offrant un support complet au sol avec un bouclier et installant souvent une doublure de segment.
-
TBMS de l'équilibre de la pression de la Terre (EPB): Idéal pour les sols mous et cohésifs (argile, limon, sable) qui peuvent rester sans support pendant une courte période. Un EPB TBM utilise le matériau excavé lui-même pour créer un "gâteau de boue" qui applique une pression sur la face du tunnel, équilibrant la pression du sol environnante. Un convoyeur à vis régule le retrait de la boue tout en maintenant cet équilibre.
-
TBMS de suspension: Mieux adapté aux sols lâches et porteurs d'eau (sables, graviers, sol saturé). Dans un TBM de suspension, la tête de coupe fonctionne dans une chambre remplie de suspension sous pression. La suspension stabilise la face du tunnel et transporte le matériau excavé à la surface à travers les tuyaux, où il est traité pour séparer les solides du liquide.
-
TBMS à sol mixte (TBM de densité variable): Ce sont des machines polyvalentes qui peuvent s'adapter à des conditions de sol variables, combinant parfois des caractéristiques de l'EPB et des TBM de lisier. Ils peuvent ajuster les paramètres comme la pression du visage et les taux d'élimination de la boue pour s'adapter aux propriétés du sol changeantes rencontrées.
-
Machines à moquette de tuyaux (Microtunneling TBMS): Des versions plus petites de TBM, souvent télécommandée, utilisées pour installer des pipelines ou des conduits de services publics plus petits. Ils poussent les tuyaux directement derrière la tête de coupe.
Avantages de l'utilisation de TBM
- Vitesse et efficacité: Les TBM peuvent ennuyer en continu et excavés généralement les tunnels beaucoup plus rapidement que les méthodes conventionnelles comme le forage et le dynamitage.
- Sécurité: Le bouclier fermé du TBM fournit un environnement de travail plus sûr pour le personnel, les protégeant des effondrements et de l'entrée des eaux souterraines.
- Perturbation de surface minimale: Au fur et à mesure qu'ils opèrent sous terre, les TBM réduisent considérablement les perturbations des infrastructures de surface, du trafic et des communautés, ce qui les rend idéales pour les zones urbaines.
- Impact environnemental réduit: Des niveaux de vibration plus bas et moins de bruit par rapport au dynamitage, avec moins de tas de buts à la surface.
- Forme de tunnel cohérente: Les TBM produisent un alésage de tunnel circulaire lisse, ce qui réduit souvent la quantité de doublure secondaire requise.
- Automatisation: De nombreuses fonctions TBM sont automatisées, conduisant à des performances cohérentes et à une baisse de la main-d'œuvre manuelle.
Projets TBM notables
Les TBM ont joué un rôle déterminant dans la construction de certains des projets d'infrastructure les plus impressionnants au monde, notamment:
- Tunnel de canal (Eurotunnel): Connexion du Royaume-Uni et de la France sous la chaîne anglaise.
- Tunnel de base de Gotthard: Le plus long tunnel ferroviaire du monde, parcourant les Alpes en Suisse.
- Crossrail (Elizabeth Line) à Londres: Un système ferroviaire souterrain massif.
- Subway Second Avenue à New York: Élargir le réseau de métro.
- Tunnel SR 99 de Seattle (Bertha): Un tunnel routier de grand diamètre.
En conclusion, les TBM sont des merveilles d'ingénierie qui ont transformé la façon dont nous construisons underground. Leur efficacité, leur sécurité et leur capacité à gérer diverses conditions géologiques en font des outils indispensables pour créer les artères cachées vitales de la société moderne.
