L'architecture mécanique des tunneliers à blindage unique
Le Tunnelier à Bouclier Unique (TBM) est spécialement conçu pour l'excavation dans des conditions de roche dure où la masse rocheuse est fracturée ou instable. Contrairement aux tunneliers à poutre ouverte, la variante Single Shield abrite l'ensemble de sa machinerie interne dans une peau cylindrique de protection en acier. Ce bouclier fournit un soutien aérien et latéral immédiat, protégeant à la fois le personnel et les composants de haute précision des chutes de débris ou des « éclats de pierres ». La tête de coupe à l'avant est équipée de disques coupants robustes qui appliquent une pression immense sur la paroi rocheuse, créant des fractures de contrainte qui provoquent l'éclatement de la roche en fragments gérables.
À l’intérieur du bouclier, le système de propulsion repose sur un mécanisme de poussée longitudinale. Étant donné que la machine fonctionne dans une configuration à bouclier unique, elle s'éloigne généralement des segments de béton précédemment installés pour avancer. Cette intégration de l'excavation et du revêtement en fait un choix exceptionnellement efficace pour les tunnels de transport d'eau sur de longues distances, les passages ferroviaires et les conduits de services publics où un revêtement en béton fini est requis immédiatement après le processus de forage.
Dynamique opérationnelle et séquence de forage
Le operational cycle of a Single Shield TBM is a synchronized process of excavation and structural reinforcement. The cycle begins with the boring phase, where hydraulic cylinders extend to push the cutterhead into the rock. As the rock is crushed, a series of buckets or scoops on the cutterhead transfer the muck onto a conveyor belt that runs through the center of the machine to the rear. This continuous removal system ensures that the face remains clear for the cutters to maintain optimal penetration rates.
Le Ring Building Phase
Une fois que les vérins de poussée atteignent leur extension maximale, le forage s'arrête. Les cylindres sont ensuite rétractés par petits groupes pour laisser de la place à l'érecteur de segments. Ce bras robotique soulève des segments préfabriqués en béton et les boulonne ensemble pour former un anneau complet. Ce processus est résumé ci-dessous :
- Rétraction des vérins hydrauliques de poussée contre le dernier anneau réalisé.
- Placement précis des segments préfabriqués par le bras érecteur à prise sous vide.
- Injection de coulis dans l'espace annulaire entre la roche et le segment de béton pour assurer la stabilité.
- Faire avancer le bouclier en repoussant l'anneau nouvellement installé.
Comparaison technique : bouclier simple ou double bouclier
Le choix du bon tunnelier dépend fortement de la résistance à la compression sans confinement (UCS) de la roche et de la présence de zones de failles. Alors que les tunneliers à double bouclier permettent le forage et le revêtement simultanés, ils nécessitent une adhérence compétente avec leurs chaussures « de préhension ». Les tunneliers à bouclier unique sont plus polyvalents en termes de géologie qui varie entre des roches compétentes et des zones hautement fracturées, car ils ne dépendent pas de la préhension des parois latérales pour leur stabilité.
| Caractéristique | Tunnelier à bouclier unique | Tunnelier à double bouclier |
| Assistance principale | Segments de béton | Patins de préhension/Segments |
| Aptitude géologique | Fracture en roche stable | Hard Rock principalement stable |
| Mode ennuyeux | Séquentiel (alésage puis ligne) | Concurrent (alésage et ligne) |
| Complexité | Inférieur | Plus haut |
Avantages dans des conditions géologiques difficiles
Le primary advantage of the Single Shield TBM is its superior safety profile in "poor" rock. In zones where the rock is prone to collapsing or where water pressure is a concern, the shield acts as a secondary hull. Modern machines are often equipped with "back-loading" cutterheads, allowing disc changes from within the safety of the cutterhead itself, minimizing the time workers spend in front of the machine in unsupported ground.
Efficacité dans la gestion des apports d’eau
Lors du creusement de tunnels à travers des roches dures contenant des aquifères, les tunneliers à bouclier unique peuvent être équipés de joints et d'équipements de sondage spécialisés. En forant devant la tête de coupe, les ingénieurs peuvent injecter du coulis pour stabiliser le sol et bloquer l'entrée d'eau avant même que la machine n'atteigne la zone. La conception du bouclier permet un environnement plus contrôlé pour gérer ces changements soudains de l'hydrogéologie, garantissant ainsi que le calendrier du projet reste intact malgré les surprises souterraines.
