Créé le 09.04

Composant central du creusement au tunnelier – Outil de coupe

Composant central du creusement au tunnelier – Outil de coupe

Composition du tunnelier – Outils de coupe

Les outils de coupe du tunnelier sont utilisés pour excaver et usiner les masses rocheuses et terrestres ; ils représentent à la fois un composant critique et sujet à l'usure d'un tunnelier (TBM).

Leur état de fonctionnement influence directement à la fois l'efficacité d'excavation du tunnelier (TBM) et le coût de l'excavation du tunnel. Les outils de coupe du TBM comprennent principalement des molettes à disque, des molettes dentées, des racleurs et d'autres types. Selon leur position dans la tête de coupe, ces outils sont classés en couteaux centraux, couteaux de face et couteaux latéraux. Le couteau central est situé au centre de la tête de coupe ; pour les tunneliers à roche dure et les boucliers composites, le couteau central utilise généralement une ou plusieurs molettes à disque à double tranchant, tandis que les couteaux de face et les couteaux latéraux utilisent des molettes à disque à tranchant unique.

1. Disque de coupe

Le disque de coupe est un outil couramment utilisé par les tunneliers pour excaver les massifs rocheux ; il se compose principalement d'un anneau de coupe, d'un corps de coupe, d'un joint de corps de coupe et d'un arbre de coupe. Selon le nombre d'anneaux de coupe installés sur le corps de coupe, le disque peut être configuré en version à un seul tranchant, à double tranchant ou à tranchants multiples. Parmi ceux-ci, le disque de coupe à un seul tranchant est actuellement le type d'outil le plus largement utilisé dans les applications de tunneliers à pleine section et a été prouvé par la pratique de l'ingénierie comme étant le plus efficace pour le concassage des roches.

Pendant le fonctionnement, sous l'influence de la poussée et du couple de la machine, l'anneau de coupe du fraisage frontal à disque pénètre dans la masse rocheuse, et le processus de rupture de la roche est accompli par un engagement continu en roulement avec la masse rocheuse. Le fraisage frontal à disque est principalement fabriqué à partir de matériaux en acier spécial ; l'outil entier—en particulier son anneau de coupe—doit posséder une résistance, une rigidité, une ténacité, une résistance à l'usure et une résistance aux hautes températures suffisantes.

Figure | Schéma de structure du taillant à disque

Avec l'avancement continu de la technologie et l'utilisation croissante de matériaux à haute résistance, le diamètre des molettes de coupe et les charges qu'elles supportent n'ont cessé d'augmenter. Les diamètres des molettes vont de 11 po, 12 po, 14 po, 15,5 po, 16,5 po, 17 po et 19 po jusqu'à un maximum de 20 po (500 mm) ; les charges correspondantes sont indiquées dans le tableau 2.4. Actuellement, les molettes d'un diamètre de 17 po ou 19 po sont les plus couramment utilisées. L'utilisation de molettes de coupe de grand diamètre permet d'augmenter de manière appropriée l'espacement entre les molettes sur la tête de coupe, de réduire le nombre de molettes requises et d'accroître la force de propulsion de la tête de coupe. Cela améliore non seulement l'efficacité de fragmentation de la roche, mais prolonge également la durée de vie des outils de coupe, réduit la fréquence de remplacement des molettes pendant l'excavation du tunnel, augmentant ainsi le temps total d'excavation et améliorant l'efficacité globale de l'excavation.

Figure | Schéma du mécanisme de rupture de la roche utilisant un taillant rotatif

Les fraises de fraisage à disque de forme précoce présentaient une bague de coupe en forme de V en section transversale, avec des angles de coupe généralement réglés à 60°, 75°, 90° ou 120°. Des angles de coupe plus grands étaient généralement utilisés lors de l'excavation de roches dures, tandis que des angles plus petits étaient employés pour les formations rocheuses plus tendres. Cependant, en raison de l'usure rapide et de la forte susceptibilité à la fracture associées à la conception de la bague de coupe en forme de V, ce qui augmentait les coûts d'excavation des tunnels, cette conception a été progressivement remplacée par des bagues de coupe à surfaces de coupe conventionnelles.

Figure | Outil de coupe

2. Couteau à dents

Le couteau à dents est principalement utilisé pour excaver les couches de sol meuble telles que les strates sableuses, limoneuses ou argileuses ; il constitue l'outil d'excavation principal des boucliers et des boucliers composites. Le couteau à dents est monté sur le panneau de la tête de coupe ; son principe de fonctionnement diffère de celui d'un disque de coupe – plutôt que de rouler sur la face du tunnel pour fracturer la roche, le couteau à dents excave le matériau excavé lorsque la tête de coupe tourne et est propulsé par la poussée de la tête de coupe.

Figure | Lame

3. Lame

Le racleur, qui se catégorise en racleur frontal et racleur périphérique, constitue l'outil d'excavation des tunneliers et des tunneliers composites. Le principe de coupe du racleur frontal est relativement simple : il utilise la poussée transmise depuis la tête de coupe pour pénétrer le sol à la surface d'excavation ; à mesure que la tête de coupe tourne, le racleur coupe le sol sous l'action d'une force tangentielle. Le racleur périphérique, situé au bord de la tête de coupe, collecte les débris rocheux excavés par le disque de coupe ; lorsque la tête de coupe tourne, ces débris sont acheminés à travers la goulotte située sur la tête de coupe vers un convoyeur à bande.

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