EP2002061B1

EP2002061B1 - Outillage de forage

Info

Publication number: EP2002061B1
Application number: EP07731865A
Authority: EP
Inventors: Philippe Chagnot; Fabrice Mathieu; Daniel Perpezat; Jean-Claude Riglet
Original assignee: Soletanche Freyssinet SA
Current assignee: Soletanche Freyssinet SA
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-04-04
Also published as: WO2007116178B1; CA2648498A1; US8020323B2; CA2648498C; FR2899608A1; PL2002061T3; JP2009532601A; AU2007234656B2; AU2007234656A1; FR2899608B1; SG170797A1; RU2008143423A; RU2428543C2; EP2002061A1; CN101449005A; CN101449005B; KR20080110773A; WO2007116178A1; US20090165338A1

Description

La présente invention a pour objet un outillage de forage pour la réalisation de parois dans le sol résultant du mélange du sol découpé et d'un liant additionnel.
Les techniques de mélange sur place du terrain foré à un liant hydraulique (en anglais soil mixing) sont aujourd'hui d'utilisation courante pour améliorer les sols de fondations. Les outillages utilisés mettent généralement én oeuvre des équipements spécifiques ressemblant à des tarières mises en rotation selon un axe vertical. Ces machines permettent de réaliser des éléments de parois rectangulaires par juxtaposition de plusieurs tarières, ce qui conduit à utiliser des machines de forte puissance dès lors que la tranchée doit atteindre des profondeurs supérieures à 10 m.
Depuis quelques années, il existe un nouveau type de machine permettant de réaliser des éléments de fondation rectangulaires en béton de sol, c'est-à-dire par mélange du sol creusé pour réaliser une portion de tranchée avec un liant hydraulique et malaxage de ce mélange. Cette opération sera désignée dans la présente demande de brevet par l'expression "creuser une tranchée avec mélange des déblais avec un autre matériau".
Bien entendu, ce mélange doit être laissé en place dans la tranchée en cours de réalisation afin d'obtenir une fine paroi dans le sol résultant de la prise du mélange sol découpé-liant hydraulique, paroi dont la forme est définie par celle de la tranchée.
Une machine de ce type est décrite par exemple dans les demandes de brevet US 2005/0000123 et US 2004/0234345 . et du document EP 1 746 213 , compris dans l'état de la téchnique selon l'article 54(3) CBE.
Cette machine est essentiellement constituée par deux paires de fraises montées sur une structure de supportage. Chaque paire de fraises est reliée à un moteur hydraulique. Ces moteurs sont logés dans un caisson relativement volumineux disposé au-dessus des fraises.
Lorsque le moteur est monté dans un caisson volumineux, l'inconvénient présenté par cette machine consiste dans le fait que le caisson dans lequel sont montés les moteurs présente une surface apparente relativement importante. La présence de ce caisson de dimension importante gêne considérablement la remontée de l'outillage après la réalisation du malaxage puisque le caisson doit "se frayer un chemin" dans le matériau malaxé consistant dans les déblais du sol et le liant hydraulique. Dans certains cas, la présence de ce caisson peut favoriser le blocage de la machine dans le panneau rempli du mélange constitué par les déblais de forage et le liant hydraulique, lors de sa remontée.
Dans la machine de ce type, décrite dans la demande de brevet US 2005/0229440 , les deux paires de fraises sont reliées par une transmission commune à un unique moteur qui peut être situé au-dessus de la surface du sol. La transmission est alors complexe et son rendement médiocre.
De plus, les deux paires de fraises étant entraînées à partir d'un même moteur, toutes les fraises ont la même vitesse de rotation. Or dans certains cas, il est intéressant de pouvoir donner à chaque paire de fraises une vitesse de rotation différente, notamment pour corriger des défauts de verticalité lors du creusement de la tranchée. En outre, la puissance du moteur est répartie entre les deux paires de fraises en fonctionnement normal. En revanche, si une paire de fraises se bloque, la totalité de la puissance du moteur doit être supportée par l'autre paire de fraises. Cela oblige donc à un dimensionnemeht mécanique du système qui prend cette situation en compte.
On connaît également des machines d'excavation pour réaliser des tranchées dans le sol. Ces machines sont constituées le plus souvent par deux paires de fraises rotatives montées à l'extrémité inférieure d'un châssis de dimensions importantes. L'extrémité supérieure du châssis est solidaire de moyens de sustentation qui sont en général constitués par des câbles.
En section horizontale le châssis de la machine a une forme générale rectangulaire dont les dimensions sont sensiblement égales aux dimensions globales des paires de fraises. Ainsi, les dimensions de la section droite du châssis sont sensiblement égales à celles de la section horizontale de la portion de tranchée qui permet de réaliser la machine lors de son mouvement de descente.
Ainsi, les parois du châssis sont sensiblement au contact des parois de la portion de tranchée en cours de réalisation ce qui assure le guidage vertical de la machine afin d'obtenir une portion de tranchée également sensiblement verticale.
En outre, le terrain découpé par les fraises est évacué par une tubulure d'aspiration dont la bouche d'aspiration est disposée entre les parois de fraises en dessous du châssis.
Il est bien évident qu'une telle machine d'excavation est totalement incapable de réaliser un mélange entre le terrain découpé avec le liant hydraulique, ce mélange étant laissé en place dans la portion de tranchée en cours de réalisation afin d'obtenir l'élaboration de la paroi dans le sol.
Les documents EP 0 262 050 et GB 1 430 617 décrivent une telle machine.
La présente invention a pour objet un outillage de forage de ce type qui permet d'éviter les deux inconvénients mentionnés ci-dessus.
Pour atteindre ce but, selon l'invention, l'outillage de forage comprend les caractéristiques de la revendication 1.
On comprend que, comme les moteurs d'entraînement des fraises sont disposés à l'intérieur de celles-ci, l'outillage ne comporte pas de caisson contenant le moteur ou de systèmes de transmission volumineux. Par ailleurs, chaque moteur peut être commandé indépendamment et conférer à chaque paire de fraises une vitesse de rotation différente. Du fait qu'il n'y a pas de caisson au-dessus des fraises de l'outillage, on comprend que la remontée de l'outillage dans le mélange déblais de forage/liant hydraulique est considérablement favorisée. Cette remontée est encore rendue plus aisée par la forme particulière de la structure support dont seul le bord est susceptible de s'opposer à la remontée de l'outillage de forage, or ce bord a des dimensions réduites et a une forme adaptée.
De préférence, les moteurs sont hydrauliques et l'outillage comprend en outre des ensembles de conduite d'alimentation desdits moteurs constitués par des perçages dans l'épaisseur de la planque de la structure support. Ainsi, ces conduites d'alimentation sont entièrement disposées à l'intérieur de la plaque et ne peuvent s'opposer à la remontée de l'outillage après la réalisation de la tranchée et le malaxage des déblais de forage avec le liant hydraulique.
De préférence également, la tranche supérieure de la plaque des moyens support est biseautée. Cela favorise encore la remontée de l'outillage de forage à travers le mélange déblais de forage/liant hydraulique.
De préférence encore, les moyens de sustentation comprennent au moins une partie de guidage dont l'extrémité inférieure est directement solidaire de la bride de la structure support.
De préférence également, les dimensions de la bride, qui est horizontale, sont sensiblement égales à celle de la section droite de la poutre de guidage.
Ainsi, lors de la remonté de l'outillage dans la tranchée remplie du mélange déblais-liant hydraulique la bride ne constitue qu'un prolongement de la partie de guidage et ne s'oppose donc pas à cette remontée.
De préférence aussi, l'épaisseur de la poutre de guidage, selon la direction des axes de rotation des fraises est inférieure à la moitié de la longueur de l'axe de rotation d'une paire de fraises et la largeur de la section de la poutre de guidage est inférieure au tiers de l'encombrement des deux paires de fraises selon la direction horizontale perpendiculaire audit axe de rotation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles :

la figure 1 est une vue en élévation d'une installation de forage utilisant l'outillage de forage selon l'invention ;
la figure 2 est une vue en perspective de l'outillage de forage avec sa poutre de guidage ;
la figure 3 est une vue en élévation de l'ensemble de l'outillage de forage ;
la figure 4 est une vue de dessus partiellement fantôme de l'outillage de forage ; et
la figure 5 est une vue en perspective des moyens de support des fraises de l'outillage de forage.

Sur la figure 1, on a représenté une machine de forage utilisant l'outillage de forage conforme à l'invention. L'outillage 12 est guidé dans la tranchée par une poutre de guidage 14 de profil constant et de préférence à section droite rectangulaire. L'outillage 12 est fixé à l'extrémité inférieure 14a de la poutre. La poutre de guidage 14 permet de transmettre les efforts de poussée et de traction sur l'outillage 12. Elle permet également de protéger les conduites d'alimentation de l'outillage en liant hydraulique, ainsi que les conduites d'alimentation en énergie des moteurs entraînant en rotation les fraises. La poutre de guidage 14 est reliée par des moyens de guidage et d'entraînement 16, 18 à un mât vertical 20. Le mât est supporté par un porteur sur chenilles 22 sur lequel est installé un système de génération de puissance hydraulique 24.
On comprend qu'en commandant les déplacements de la poutre de guidage 14 en montée et en descente, on déplace verticalement l'outillage 12 dans le sol pour réaliser un panneau de tranchée par forage du sol et malaxage des déblais de forage avec le liant hydraulique.
Sur la figure 2, on a représenté la poutre de guidage 14 à l'extrémité inférieure 14a de laquelle est fixé l'outillage de forage proprement dit 12. Cet outillage de forage est constitué par deux paires de fraises 26, 28, 30, 32, les fraises d'une même paire étant coaxiales et les axes de rotation des fraises étant parallèles et sensiblement horizontaux en utilisation. Comme on l'expliquera ultérieurement, selon une caractéristique essentielle de l'invention, les moteurs permettant la mise en rotation des fraises 26 à 32 sont disposés à l'intérieur des fraises elles-mêmes, ce qui évite de devoir prévoir un moteur externe d'entraînement de ces fraises.
Plus précisément, les paires de fraises 26 à 32 sont reliées à l'extrémité inférieure 14a de la poutre de guidage par une structure support portant la référence générale 34. En variante, la structure support 34 peut être équipée de systèmes de raclage 36 qui permettent, lorsque le sol est collant, d'enlever le sol qui adhère aux fraises entre leurs dents 38.
En se référant maintenant à la figure 5, on va décrire plus en détail la structure support 34 de l'outillage. La structure support 34 est constituée tout d'abord par une plaque 40 qui consiste, dans le mode particulier de réalisation décrit, en deux demi-plaques 42 et 44 raccordées entre elles par une pièce triangulaire 46 raccordant les deux demi-plaques 42 et 44 à une bride de fixation 48 servant à solidariser la structure de support 34 avec l'extrémité inférieure 14a de la poutre de guidage. Cette bride 48 est bien sûr sensiblement horizontale et donc orthogonale aux demi-plaques 42 et 44. Comme le montrent les figures, la bride de fixation a sensiblement les mêmes dimensions que la section droite horizontale de la poutre de guidage 14. Les extrémités inférieures 44a, 42a des demi-plaques sont équipées sur chacune de leurs faces de paires de viroles cylindriques coaxiales 50, 52 et 54, 56. Ces viroles dont les axes X, X' et Y, Y' sont orthogonaux aux demi-plaques 42 et 44 servent d'une part au montage des moteurs hydrauliques et d'autre part au guidage en rotation des tambours sur lesquels sont montées les fraises proprement dites.
dites. Comme cela est bien connu la poutre de guidage 14, en section droite horizontale, des dimensions qui sont très réduites par rapport à celles de l'outillage de forage 12 et donc par rapport à celles du forage réalisé par l'outillage.
Plus précisément, l'épaisseur I de la bride 48 (voir figure 5) est inférieure à la moitié de la longueur H (voir figure 4) de l'axe d'une paroi des fraises 26 à 32. La largeur I (voir figure 5) de la bride 48 est inférieure au tiers de la longueur L (voir figure 4) de l'outillage de forage 12, c'est-à-dire de son encombrement maximum dans un plan horizontal.
De préférence, la tranche ou bord supérieur 44b, 42b de chaque demi-plaque présente une première portion 44c, 42c qui est sensiblement horizontale et de longueur réduite et des portions inclinées vers le bas 44d, 42d qui constituent les côtés d'un triangle dont le sommet serait disposé vers la bride 48. De préférence encore, les bords ou tranches 42b, 44b des demi-plaques 42 et 44 sont biseautés comme le montre mieux la figure 4.
De manière plus générale, la tranche supérieure de la plaque 40 a une forme qui favorise la remontée de l'outillage de forage dans le mélange sol découpé/liant hydraulique contenu dans la tranchée.
Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, les moteurs d'entraînement en rotation de fraises sont de préférence des moteurs hydrauliques. Dans ce cas, les conduites d'alimentation en fluide de puissance sont constituées par des perçages tels que 58 et 60 réalisés dans l'épaisseur des demi-plaques 42 et 44. L'extrémité supérieure des conduites 58, 60 débouche dans des orifices tels que 62 pratiqués dans la bride 48 pour raccorder les conduites 58 et 60 aux conduites d'alimentation en fluide de puissance disposées dans la poutre de guidage 14.
Dans certains cas, lorsque le sol est collant, des systèmes de raclage 36 sont fixés de part et d'autre de la pièce triangulaire centrale 46 des moyens supports 34. Ces systèmes de raclage 36 comportent des pièces de raclage telles que 64 qui sont imbriquées entre les rangées de dents 38, 38', 38" des fraises afin d'enlever le sol qui pourrait adhérer aux fraises entre ces dents.
Il faut noter que les systèmes de raclage 36 ont un profil qui favorise la remontée de l'outil de forage dans le mélange déblais de forage/liant hydraulique.
Sur la figure 4, on a représenté le montage des fraises 30 à 36 sur les viroles 50 à 56. On a tout d'abord représenté les moteurs hydrauliques tels que 70 qui sont fixés dans les viroles 50 à 56. Les arbres de sortie des moteurs 70 sont reliés mécaniquement en rotation et en translation à des tambours tels que 72 sur lesquels sont montées les fraises proprement dites 30 à 36 avec leurs dents 38, 38' et 38". Les extrémités des conduites 58 et 60 d'alimentation en fluide hydraulique sont raccordées par tout moyen convenable au système d'alimentation des moteurs hydrauliques 70.
On comprend que lorsque l'on veut remonter l'outillage de forage dans la tranchée qui est remplie du mélange déblais de forage/liant hydraulique, les seules parties de l'outillage qui s'opposeront à cette remontée sont constituées par la plaque support 40 et éventuellement par les systèmes de raclage 36. En effet, la bride 48 constitue un prolongement de la poutre de guidage 14 et elle ne constitue donc pas un obstacle à la remontée de l'outillage de forage.
Les demi-plaques 42 et 44 ont une épaisseur réduite et un bord supérieur 44b, 42b dont le profil, ainsi qu'on l'a déjà expliqué, favorise la remontée de l'outillage.
Dans un exemple particulier de réalisation, l'outillage de forage présente une largeur H selon la direction des axes de rotation X, X', Y, Y' égale à 800 mm et une longueur L selon sa direction orthogonale à ces axes de 2 800 mm.
Si l'on considère maintenant la plaque support 40, sa grande longueur est égale à 2 200 mm et son épaisseur e égale à 60 mm. Par ailleurs, la bride 48 présente une forme rectangulaire dont les côtés sont égaux à 600 mm et 300 mm. On comprend que lors de la remontée, la bride 48 ne constitue pas un obstacle à cette remontée puisqu'elle se situe dans le prolongement de la poutre de guidage 14. En conséquence, seule une longueur de 1 600 mm de plaque support 40 est à prendre en considération. Ainsi, la surface qui s'oppose à la remontée est de 1 600 mm x 60 mm = 96 000 mm². Il faut comparer cette section à la projection horizontale de l'ensemble de l'outillage dont la surface est égale à 2 800 mm x 800 mm, ce qui fait plus de 2 millions de mm². La surface s'opposant à la remontée est donc inférieure à 5 % de la surface de l'outillage. En effet, lors de la remontée, les fraises sont mises en rotation et ne s'opposent donc pas à ladite remontée. Dans le cas d'un outil de coupe équipé de paires de fraises dont les axes ont une largeur de 500 mm, ce rapport est légèrement inférieur à 10 %. D'une manière générale, le rapport des surfaces sera de préférence inférieur à 10 %.
Plus généralement, de préférence, l'épaisseur e de la plaque support 40 est inférieure à 15 % de la largeur H de l'outillage selon la direction des axes de rotation X, X' et Y, Y'. De préférence encore, ce rapport est au plus égal à 10 %. La valeur de ce rapport dépend des dimensions des fraises. Plus celles-ci sont grandes, plus le rapport peut être réduit. En effet, les moyens formant plaque 40 ont une épaisseur minimale de 50 à 60 mm pour lui conférer une résistance mécanique suffisante et pour permettre la réalisation des conduites internes d'alimentation des moteurs.

Claims

Outillage de forage et de mélange des déblais avec un autre matériau comprenant :
- deux paires de tambours (72) rotatifs coaxiaux à axes parallèles, chaque tambour (72) étant équipé d'une fraise (26, 28, 30, 32) pour forer et mélanger les déblais avec un autre matériau ;

- des moyens moteurs (70) pour entraîner lesdits tambours (72) en rotation, lesdits moyens moteurs étant montés à l'intérieur des tambours ;

- des moyens de sustentation (14) comprenant une poutre de guidage (14) qui a, en section horizontale, des dimensions réduites par rapport à la projection horizontale de l'ensemble de l'outillage
; et

- une structure support (34) sur laquelle sont montés, à rotation, lesdits tambours (72) pour relier lesdits tambours (72) aux moyens de sustentation (14) ;
ladite structure support comprenant :
. une plaque (40) sensiblement orthogonale aux axes de rotation (X-X', Y-Y') des tambours (72), ladite plaque formant à ses extrémités inférieures des paliers pour lesdits tambours, ladite plaque ayant une épaisseur constante très réduite par rapport à la longueur des axes de rotation d'une paire de fraises ; et

. une bride de raccordement (48) raccordée directement à l'extrémité inférieure (14a) de la poutre de guidage (14), fixée à l'extrémité supérieure de la plaque (40), la tranche supérieure de la plaque rejoignant ladite bride depuis les moyens formant paliers ayant une forme spécifique pour que, associée à l'épaisseur réduite de la plaque, la remontée de l'outillage, à travers le mélange des déblais avec un autre matériau, soit significativement facilitée.
Outillage (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moteurs (70) sont hydrauliques et en ce que l'outillage comprend en outre des ensembles de conduite d'alimentation (58, 60) desdits moteurs (70), constitués par des perçages réalisés dans l'épaisseur de ladite plaque (40).
Outillage (12) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la section droite horizontale de la poutre de guidage (14) a sensiblement les mêmes dimensions que ladite bride de raccordement (48).
Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la largeur (I) de ladite bride de raccordement (48) est inférieure au tiers de la longueur (L) de l'outillage de forage selon la direction horizontale orthogonale à celle des axes des paires de fraises.
Outillage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur (I') de ladite bride de raccordement (48) selon la direction des axes (X-X', Y-Y') des paires de fraises (26, 28, 30 32) est inférieure à la moitié de la longueur (H) d'un axe de paire de fraises.
Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'injection de liant hydraulique dans le sol.
Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bord supérieur de ladite plaque (40) est biseauté.
Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaque (40) est inférieure à 15 % de la longueur de l'axe de rotation (X-X', Y-Y') d'une paire de fraises (26, 28, 30, 32).
Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la tranche supérieure de ladite plaque (40) reliant les extrémités inférieures de la plaque à ladite bride (48) comporte des portions (42d, 44d) formant deux côtés d'un triangle dont le sommet serait disposé vers ladite bride (48).
Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, en projection dans un plan parallèle aux axes de rotation (X-X', Y-Y') des fraises (26, 28, 30, 32), la surface de ladite plaque (40) est au plus égale à 10 % de la surface des paires de fraises.
Outillage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaque est inférieure à 10 % de la longueur de l'axe de rotation d'une paire de fraises.