Machine de levage de tuyaux : comment elle fonctionne, quand l'utiliser et que rechercher

Ce que fait réellement une machine de levage de tuyaux

Une machine de fonçage de tuyaux est un système de construction sans tranchée qui installe des pipelines souterrains en forant simultanément le sol et en poussant des sections de tuyaux préfabriquées dans le tunnel creusé à partir d'une fosse de lancement au niveau de la surface. La machine coupe à la face de l'alésage tandis que des vérins hydrauliques positionnés à l'arrière du train de tiges appliquent la poussée vers l'avant nécessaire pour faire avancer à la fois la tête de coupe et le train de tuyaux en croissance dans le sol. Le résultat est un pipeline entièrement revêtu installé en profondeur, sans qu’il soit nécessaire de creuser une tranchée ouverte continue le long du tracé du pipeline.

Cette méthode – également appelée fonçage de tuyaux, pilonnage de tuyaux dans certains contextes ou microtunnelage lorsqu'elle est appliquée à des forages de plus petit diamètre avec guidage télécommandé – est devenue l'une des techniques les plus importantes dans la construction de services publics souterrains. Il est utilisé pour installer des conduites d'égouts gravitaires, des conduites de transport d'eau, des conduites de distribution de gaz, des conduits de télécommunications et des ponceaux sous les routes, les voies ferrées, les rivières, les pistes et les zones urbaines bâties où l'excavation à ciel ouvert serait peu pratique, dommageable ou interdite par les opérateurs d'infrastructures et les autorités de planification.

La machine de fonçage de tuyaux elle-même est le système de coupe et de guidage situé à l'avant de l'opération : le composant qui détermine le diamètre de l'alésage, la compatibilité du sol, la précision des lignes et des pentes, ainsi que la capacité de support des faces. Tout le reste dans une opération de fonçage de canalisations — le cadre de fonçage, la bague de poussée, les stations de fonçage intermédiaires, le système de lubrification et le dispositif d'évacuation des déblais — est configuré en fonction des exigences de la machine et des conditions de sol spécifiques rencontrées sur le projet.

Les composants de base d'un système de fonçage de tuyaux

Un système complet de fonçage de tuyaux est bien plus qu’une simple machine de découpe. Il s'agit d'un ensemble intégré de systèmes mécaniques, hydrauliques et de guidage qui doivent tous fonctionner ensemble de manière fiable pour que l'opération avance en toute sécurité et en ligne. Comprendre le rôle de chaque composant aide les entrepreneurs et les ingénieurs de projet à prendre de meilleures décisions en matière de sélection d'équipement et à anticiper les endroits où les problèmes sont les plus susceptibles de survenir.

La tête de coupe et le bouclier

La tête de coupe est l'élément le plus en avant du machine de levage de tuyaux , conçu pour creuser le sol et le présenter pour enlèvement à travers le forage du pipeline. La conception de la tête de coupe varie considérablement en fonction des conditions du sol. Dans les sols mous (argiles, limons, sables et graviers), une tête de coupe à disque rotatif ou à rayons avec des ports de conditionnement du sol est généralement utilisée, souvent en combinaison avec une injection de bentonite ou de polymère pour stabiliser la surface et réduire la friction. Dans les sols mixtes ou les roches, des têtes de coupe plus robustes équipées de disques coupants, de mèches traînantes ou de boutons coupants en carbure de tungstène sont nécessaires pour briser le matériau en vue de son enlèvement. La tête de coupe est logée dans un bouclier en acier qui fournit un support au sol au niveau du tunnel et forme le corps structurel de la machine.

Le cadre de levage et les vérins de poussée

Le châssis de levage principal est installé dans la fosse de lancement derrière le train de tiges et fournit la force de poussée principale qui fait avancer la machine et les canalisations dans le sol. Il se compose d'un lourd cadre de réaction en acier ancré contre la paroi arrière de la fosse, équipé de vérins hydrauliques - généralement de deux à quatre vérins de gros calibre - qui s'appuient contre un anneau de poussée ou un collier de poussée posé contre la face arrière du dernier tuyau de la colonne. Les forces de levage dans les opérations de fonçage de tuyaux sont importantes : les entraînements de microtunnelage de petit diamètre peuvent nécessiter 50 à 200 tonnes de poussée, tandis que les entraînements de grand diamètre dans un sol difficile avec de longs trains de tiges peuvent exiger des forces de poussée dépassant 1 000 à 3 000 tonnes. Le cadre de levage doit être dimensionné pour fournir ces forces en toute sécurité et être correctement dimensionné pour le diamètre du tuyau et la résistance au sol prévue de l'entraînement spécifique.

Système d'élimination des dégâts

Les matériaux excavés doivent être continuellement retirés de la face du tunnel à travers le forage du pipeline pendant le fonçage. La méthode d’élimination des déblais est l’une des variables clés qui différencient les types de machines de fonçage de tuyaux. Les machines à bouclier à lisier utilisent un circuit de boue de bentonite sous pression pour suspendre et transporter les déblais hydrauliquement à travers un tuyau de boue jusqu'à une usine de séparation de surface, où les solides sont extraits et la boue nettoyée est recirculée. Les machines à pression de terre mélangent le sol excavé avec des agents de conditionnement pour créer une masse plastifiée qui est ensuite extraite par un convoyeur à vis d'Archimède à travers le forage du pipeline jusqu'à la fosse de lancement. L'excavation manuelle avec des outils manuels et le retrait des bennes sont encore utilisées dans les allées de plus grand diamètre où l'entrée des travailleurs est pratique et où les conditions du sol sont suffisamment stables pour le permettre.

Système de guidage et de direction

Il est essentiel de maintenir la précision des conduites et des niveaux tout au long du trajet : les canalisations installées hors alignement provoquent des problèmes de gradient hydraulique dans les égouts gravitaires, des contraintes au niveau des joints dans les conduites principales sous pression et des conflits potentiels avec les services existants. Les machines de levage de tuyaux sont dirigées en ajustant l'extension des vérins de direction hydrauliques positionnés autour de la périphérie du bouclier, qui articulent la tête de la machine par rapport au train de tiges suivant. La surveillance de la position est réalisée grâce à un théodolite laser monté dans la fosse de lancement qui projette un faisceau sur une cible à l'intérieur de la machine — l'écart de la machine par rapport au faisceau est lu par l'opérateur et corrigé via les vérins de direction. Des systèmes de guidage plus sophistiqués utilisant des stations totales gyroscopiques ou des gyroscopes laser en anneau sont utilisés sur des trajets plus longs ou dans des courbes où une simple ligne laser est insuffisante.

Types de machines de levage de tuyaux et quand chacune est utilisée

Les machines de fonçage de tuyaux ne sont pas un produit unique : elles existent dans plusieurs configurations distinctes, chacune optimisée pour une gamme différente de diamètres d'alésage, de conditions du sol et d'exigences du projet. La sélection du bon type de machine est la décision d’équipement la plus importante pour tout projet de fonçage de canalisations.

Machines de microtunnelage (MTBM)

Les machines de microtunnelage sont des systèmes de fonçage de tuyaux télécommandés conçus pour des diamètres d'alésage allant généralement de 150 mm à 1 200 mm, bien que la limite avec les systèmes d'entrée humaine plus grands soit spécifique au projet. La caractéristique déterminante d'un microtunnelier est que l'opérateur n'entre pas dans le tunnel pendant le trajet : l'ensemble de la direction, de la surveillance et du contrôle de la machine est géré depuis une cabine de contrôle en surface via une connexion ombilicale. Cette capacité d'opération à distance rend le microtunnelage adapté aux forages de petit diamètre où l'entrée des travailleurs est physiquement impossible et à toute condition de sol où l'accès frontal présente un risque de sécurité inacceptable. Les machines de microtunnelage sont le plus souvent des systèmes de type à boue, avec coupe hydraulique et transport de boue offrant un support continu en face et une élimination efficace des déblais dans les sols meubles et mixtes.

Machines de levage de tuyaux à pression de terre

Les machines de fonçage de tuyaux à pression de terre (EPB) utilisent le sol excavé lui-même – conditionné avec de l'eau, de la mousse ou un polymère pour obtenir une plasticité exploitable – comme principal support de face. Une cloison sous pression derrière la tête de coupe maintient une pression contrôlée du sol contre la face du tunnel, le taux d'extraction du convoyeur à vis étant équilibré par rapport au taux d'avance pour maintenir la pression sur la face dans une plage cible. Les machines EPB sont particulièrement efficaces dans les sols cohésifs et mixtes, les sables gorgés d'eau et les environnements urbains où le tassement du sol doit être minimisé. Ils traitent une large gamme de diamètres allant d'environ 600 mm à plusieurs mètres et sont disponibles dans des configurations télécommandées et avec entrée humaine en fonction de la taille de l'alésage.

Machines de levage de tuyaux de bouclier de boue

Les machines à bouclier à lisier soutiennent la face du tunnel à l'aide de boue de bentonite sous pression et éliminent les déblais hydrauliquement via un circuit de boue fermé. Ils excellent dans les sols granulaires saturés – sables coulants, graviers et dépôts alluviaux perméables – où le conditionnement EPB est difficile et où le maintien de la pression de front est essentiel pour empêcher les éruptions ou les tassements. L'installation de séparation des lisiers requise en surface est un élément logistique important sur les projets de type lisier : elle occupe une superficie de site considérable, nécessite une gestion minutieuse des propriétés du mélange de lisier et génère un flux d'élimination des déblais de gâteau de lisier filtré-pressé qui doit être géré comme un déchet. Malgré cette complexité, les machines à bouclier à lisier sont souvent la seule technologie viable pour les sols granulaires aquifères à des profondeurs importantes.

Machines de levage de tuyaux de coupe de roche

Dans les formations rocheuses, les têtes de coupe de sol standard sont inefficaces et des machines spécialisées sont nécessaires. Ces machines sont équipées de séries de disques de coupe sur toute la face – similaires en principe à un tunnelier (tunnelier) – qui appliquent des charges ponctuelles élevées à la paroi rocheuse pour la fracturer en copeaux. Les copeaux sont ensuite évacués ou évacués hors de l'alésage. Les machines de levage de roches doivent être adaptées aux caractéristiques de résistance à la compression, d'abrasivité et de fracture de la formation rocheuse spécifique : les roches sédimentaires molles telles que la craie ou le mudstone peuvent être manipulées par des têtes de trépan renforcées, tandis que les roches ignées ou métamorphiques dures avec des valeurs UCS supérieures à 100 MPa nécessitent des fraises à disque pleine face dans des nuances d'acier plus dures. Les taux d’usure des couteaux dans les roches abrasives constituent un facteur de coût majeur et doivent être pris en compte dès le départ dans les budgets des projets.

Conditions du sol et leur impact sur la sélection des machines

Aucun type de machine de fonçage monotube ne fonctionne correctement dans toutes les conditions de sol. L’étude géotechnique – forages, fosses d’essai, tests en laboratoire d’échantillons de sol et surveillance du niveau des eaux souterraines – constitue la base essentielle sur laquelle doit reposer toute décision de sélection de machine. Spécifier une machine inappropriée pour les conditions du sol rencontrées est l'une des causes les plus fréquentes d'échec des projets de fonçage de canalisations, entraînant des blocages de machines, des éruptions, un tassement excessif ou un abandon complet de l'entraînement.

Le tableau ci-dessous résume la relation générale entre les conditions du sol et les types de machines de fonçage de tuyaux appropriés :

Gestion des forces de levage et utilisation de stations de levage intermédiaires

À mesure que le train de tiges s'allonge au cours d'un entraînement, le frottement agissant sur la surface extérieure des tuyaux s'accumule et la force de levage totale requise pour faire avancer le système augmente progressivement. Sur de courts trajets en terrain favorable, cette accumulation est gérable dans la seule capacité du châssis de levage principal. Sur les entraînements plus longs, en particulier ceux dépassant 100 à 150 mètres, ou les entraînements plus courts dans un sol abrasif ou à friction élevée, le frottement cutané accumulé peut dépasser la capacité de poussée du châssis principal et la capacité de charge structurelle des joints de tuyaux. C’est là que les stations de fonçage intermédiaires deviennent indispensables.

Une station de levage intermédiaire (IJS) est un cylindre en acier court équipé de son propre ensemble de vérins hydrauliques, installé dans le train de tiges à des intervalles prédéterminés pendant l'entraînement. Lorsque la force de levage approche sa limite, les vérins IJS sont activés pour pousser la partie avant du train de tiges de manière indépendante pendant que les vérins principaux se réinitialisent. En divisant le train de tiges en segments et en activant les unités IJS de manière séquentielle, la force maximale appliquée à chaque joint de tuyauterie individuel est maintenue dans des limites structurelles sûres, et l'entraînement peut continuer bien au-delà de ce que le cadre de vérin principal seul pourrait réaliser. Les projets de fonçage de canalisations bien conçus sur de longs trajets spécifient les positions IJS à l'avance en fonction des charges de friction calculées, avec des positions supplémentaires planifiées à l'avance au cas où les conditions du sol seraient pires que prévu.

La lubrification de l'interface tuyau-sol à l'aide d'une boue de bentonite ou d'un gel polymère injecté par des orifices dans la paroi du tuyau est l'autre stratégie principale pour gérer les forces de fonçage. Un programme de lubrification efficace peut réduire la friction cutanée sur la paroi du tuyau de 50 à 80 % par rapport aux entraînements non lubrifiés, augmentant ainsi considérablement la longueur d'entraînement réalisable et réduisant le nombre d'unités IJS requises. La lubrification doit être maintenue en permanence tout au long de l'entraînement : permettre à celle-ci de se décomposer ou d'être absorbée par le sol environnant augmente rapidement la friction et peut entraîner le blocage du train de tiges.

Matériaux de tuyaux utilisés dans les opérations de fonçage de tuyaux

Les tronçons de canalisation poussés dans le sol par une machine de fonçage doivent résister à la fois aux charges de poussée de fonçage transmises le long de leur axe et aux pressions externes du sol et des eaux souterraines agissant sur leurs parois tout au long de leur durée de vie. Tous les matériaux de canalisation ne conviennent pas au fonçage, et le choix du type de canalisation a des implications directes sur le diamètre de l'alésage, la longueur d'entraînement, la déflexion autorisée au niveau des joints et les performances à long terme du pipeline.

• Tuyau de fonçage en béton armé : Le matériau le plus largement utilisé pour le fonçage des égouts dans des diamètres moyens à grands (300 mm à 3 000 mm et au-delà). Les tuyaux de fonçage en béton sont fabriqués selon des normes de fonçage spécifiques — EN 1916 en Europe, ASTM C76 en Amérique du Nord — avec des anneaux d'extrémité en acier trempé sur chaque face de joint pour répartir uniformément les charges de fonçage et minimiser la concentration des contraintes dans les joints. Ils offrent une excellente durabilité à long terme, une résistance chimique aux gaz d’égout et un coût compétitif pour des diamètres plus grands.
• Tuyau de fonçage en terre vitrifiée : Utilisé dans les diamètres d'égouts plus petits, généralement de 150 mm à 600 mm. L'argile vitrifiée offre une résistance exceptionnelle aux attaques chimiques des eaux usées agressives et des effluents industriels, ce qui en fait le choix privilégié pour les environnements d'égouts chimiquement exigeants. Sa fragilité par rapport au béton nécessite une manipulation soigneuse et limite les efforts de fonçage pouvant être appliqués.
• Tuyau de fonçage en acier : Utilisé pour les conduites de transport d'eau et de gaz, les oléoducs et les tuyaux de tubage de plus grand diamètre. L'acier offre une très haute résistance à la compression et à la traction, permettant l'application de forces de levage élevées et le rendant adapté aux longs trajets et aux conditions de sol durs. Une protection externe contre la corrosion – époxy lié par fusion, revêtement polyuréthane ou protection cathodique – est essentielle pour une longue durée de vie.
• Tuyau de fonçage en PRV (polymère renforcé de fibres de verre) : Combine une haute résistance avec un poids léger et une excellente résistance à la corrosion. Les tuyaux de fonçage en PRV sont de plus en plus spécifiés pour les environnements chimiquement agressifs et pour les entraînements où le poids réduit du tuyau simplifie la manipulation dans les fosses de lancement confinées. Ils nécessitent une conception soignée des joints pour assurer un transfert de charge adéquat sous les forces de levage.
• Béton polymère et tuyau HOBAS : Les tuyaux en mortier polymère renforcé de fibres de verre coulés par centrifugation (CCFRPM) combinent la résistance chimique du polymère avec la résistance à la compression nécessaire aux applications de fonçage. Largement utilisé dans les applications agressives d’égouts et de drainage industriel à travers l’Europe et de plus en plus sur d’autres marchés.

Considérations clés en matière de planification de projet avant de mobiliser une machine de fonçage de tuyaux

Les projets de fonçage de canalisations qui rencontrent de sérieux problèmes sur le terrain sont rarement malchanceux : ils sont presque toujours le résultat d'une planification inadéquate, d'une étude du sol insuffisante ou d'hypothèses irréalistes formulées lors de la conception. Les éléments de planification suivants méritent une attention particulière avant qu’une machine de fonçage de tuyaux ne soit mobilisée sur le site.

• Portée et qualité des investigations géotechniques : Les forages doivent être espacés à des intervalles adaptés à la variabilité du sol du site – généralement pas plus de 50 mètres le long du tracé de l'allée pour les projets urbains – et doivent s'étendre jusqu'à au moins 3 diamètres de tuyaux en dessous du niveau de radier du forage proposé. Les tests en laboratoire doivent inclure la distribution granulométrique, l'indice de plasticité, la résistance au cisaillement non drainé, la résistance à la compression non confinée pour la roche et la chimie des eaux souterraines lorsque la corrosion des tuyaux ou des composants de machines est un problème.
• Enquête sur les services existants : Une étude complète des services publics à l'aide d'un radar pénétrant dans le sol, d'une localisation électromagnétique et d'un examen de tous les enregistrements des services publics disponibles doit être effectuée avant que l'alignement des lecteurs ne soit finalisé. Un service public non détecté traversant un forage actif peut avoir des conséquences catastrophiques : les collisions avec les conduites de gaz, les câbles à haute tension ou les conduites d'eau à proximité d'une conduite sous tension comptent parmi les risques les plus graves dans la construction urbaine sans tranchée.
• Conception des fosses de lancement et de réception : La fosse de lancement doit être suffisamment grande pour accueillir le cadre de levage, l'équipement de manutention des tuyaux, le système d'évacuation des déblais et fournir un accès de travail sûr à l'équipage. Les dimensions minimales de la fosse sont déterminées par le diamètre du tuyau, la longueur de la machine et la course du vérin. La fosse doit être adéquatement étayée et asséchée, et la paroi de poussée arrière doit être structurellement capable de résister à la force de levage maximale prévue sans mouvement ni rupture.
• Longueur et courbure du disque : Chaque combinaison de type de machine et de matériau de tuyau a une longueur d'entraînement maximale réalisable, au-delà de laquelle les forces de levage ou les contraintes sur les joints de tuyau deviennent ingérables. De même, des alignements courbes sont possibles mais introduisent une complexité supplémentaire dans le guidage et augmentent les charges de flexion des joints de tuyaux. Les trajets dépassant environ 150 mètres ou comportant des courbes horizontales ou verticales doivent être évalués par un ingénieur spécialisé sans tranchée avant que la sélection de la machine ne soit finalisée.
• Surveillance du règlement et évaluation des risques : Pour les passages sous des structures sensibles (voies ferrées, bâtiments historiques, culées de pont ou installations industrielles opérationnelles), un programme de surveillance des tassements utilisant des bornes d'arpentage de surface, un nivellement précis et des inclinomètres sur les structures sensibles doit être établi avant le début du passage. Les niveaux de déclenchement et d'action pour le réglage des paramètres de la machine ou la suspension de l'entraînement doivent être convenus à l'avance avec les propriétaires de l'infrastructure concernée.

Problèmes courants lors du fonçage de tuyaux et comment les entrepreneurs expérimentés les gèrent

Même les opérations de fonçage de canalisations bien planifiées rencontrent des problèmes. Les conditions du sol correspondent rarement exactement aux données du forage, l'usure ou le dysfonctionnement des composants des machines et les obstructions inattendues sont une réalité de la construction souterraine urbaine. La différence entre un projet qui se remet de ces événements et un projet qui aboutit à une machine bloquée ou à un trajet interrompu se résume généralement à l'expérience de l'équipe et aux mesures d'urgence intégrées au plan du projet.

Obstructions à la face du tunnel

Les rochers, les galets, les vieilles fondations en maçonnerie, les pieux en bois et les services publics mis hors service font partie des obstructions inattendues les plus courantes rencontrées lors du fonçage de canalisations dans les zones urbaines. Dans les entraînements de diamètre à entrée humaine, les travailleurs peuvent parfois éliminer les obstructions avec des outils manuels ou des marteaux pneumatiques sous la protection du bouclier. Dans les microtunnels de plus petit diamètre où l'entrée n'est pas possible, les options d'urgence incluent un accès interventionnel à partir d'une excavation au-dessus de l'entraînement, un jet grouting foré en surface ou une injection de résine pour stabiliser le sol autour de l'obstruction, ou, dans les cas extrêmes, l'abandon de l'entraînement et la récupération de la machine dans une nouvelle fosse avant l'obstruction.

Accumulation excessive de force de levage

Lorsque les forces de levage augmentent plus rapidement que prévu, la première réponse doit toujours être d'évaluer et d'optimiser le programme de lubrification : en augmentant le volume et la fréquence d'injection, en vérifiant que les ports de lubrification ne sont pas bloqués et en vérifiant que le vide annulaire autour des tuyaux est correctement rempli. Si l’optimisation de la lubrification n’arrête pas l’augmentation de la force, l’activation des stations de vérins intermédiaires plus tôt que prévu constitue l’étape suivante. Forcer un entraînement bloqué en appliquant une poussée maximale est rarement productif et risque d'endommager les joints de tuyauterie, la défaillance d'un composant de la machine ou le soulèvement de la surface. Mettre l'entraînement en pause et permettre au sol de se détendre légèrement autour du train de tiges - combiné à une lubrification intensifiée - permet souvent de réaliser plus de progrès qu'un forçage continu.

Déviation hors ligne

Les écarts de guidage détectés précocement sont gérables : les vérins de direction peuvent corriger progressivement le cap de la machine sur les longueurs de tube suivantes sans créer d'angles de joint inacceptables. Les écarts qui ne sont pas détectés jusqu'à ce qu'ils soient importants sont beaucoup plus difficiles à corriger et peuvent entraîner des contraintes au niveau des joints de canalisation, un tassement de la surface dans un emplacement imprévu ou un conflit potentiel avec les services existants. La meilleure défense contre les problèmes de déviation est un régime de surveillance rigoureux – lecture et enregistrement de la position cible de guidage après chaque installation de canalisation, et pas seulement au début de chaque quart de travail – et un protocole d'action clair indiquant quelles corrections de direction sont appliquées et quelle ampleur de déviation.