Principe de remplacement des molettes pour tunnelier

1. Molettes résistantes aux hautes températures

Pendant le processus d'excavation du TBM (Tunnel Boring Machine), le disque de coupe génère de la chaleur par friction due au frottement avec la roche. Cela provoque une augmentation de sa température interne, entraînant des gradients de température et une dilatation thermique inégale. La pression de roulement continue de la molette contre la roche crée une contrainte et une déformation thermiques internes alternées. Cela conduit très facilement à un endommagement par fatigue de la molette, provoquant la fracture de l'anneau de coupe. En même temps, les micro-fissures générées dans la couche superficielle de l'anneau de coupe par la contrainte et la déformation thermiques alternées accéléreront également l'usure de l'anneau de coupe. De plus, à mesure que la température augmente, les performances des composants internes tels que les roulements et les joints seront considérablement affectées. Cela provoque une diminution de la viscosité de l'huile lubrifiante, pouvant entraîner une défaillance du lubrifiant, réduire la capacité de charge de la molette et raccourcir sa durée de vie. La résistance aux hautes températures des molettes résistantes aux hautes températures dépend principalement des capacités à haute température des joints flottants internes et des milieux lubrifiants à l'intérieur de la molette.

2. Molettes résistantes à la haute pression d'eau

Avec le développement extensif de l'espace souterrain ces dernières années, les opérations de creusement au bouclier ont progressivement augmenté, en particulier pour les tunnels sous les rivières et sous la mer. Actuellement, les opérations de bouclier à grande profondeur et sous haute pression d'eau — telles que le tunnel de Shiziyang, le tunnel de la route Sanyang de Wuhan, le tunnel de la baie de Shantou et le tunnel de Mawan — ont connu des pressions d'eau maximales dépassant 10 bars. La capacité de pression différentielle des molettes conventionnelles est de 3 bars. Lors de l'exploitation dans des environnements à haute pression d'eau, des molettes résistantes à haute pression doivent être utilisées. Les molettes adaptées aux environnements à haute pression d'eau nécessitent principalement une grande stabilité de la performance d'étanchéité de la molette sous des conditions de haute pression externe afin de garantir un fonctionnement normal. L'objectif clé est de percer la technologie d'étanchéité des molettes dans des environnements à haute pression d'eau.

2.1 Principe des molettes à disque résistantes à la haute pression d'eau

Une cavité est créée au centre de l'arbre de la molette, laquelle communique avec l'intérieur de la molette à disque. En parallèle, un piston mobile est installé à l'intérieur de la cavité. Lorsque la molette à disque fonctionne dans un environnement à haute pression d'eau, la pression interne de la molette est modifiée en ajustant le volume d'air interne. Cela permet d'atteindre un équilibre dynamique avec la pression environnementale de la face de travail d'excavation, garantissant ainsi la stabilité opérationnelle de la rotation de la molette. Selon les propriétés PVT (Pression-Volume-Température) des gaz, en ajustant le volume interne de la molette, on obtient la pression interne requise de la molette à disque. Cela garantit que le différentiel de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la molette ne dépasse pas la limite de capacité de différentiel de pression du joint d'étanchéité. Lors de l'installation de ce type de molette à disque, il est généralement exigé que la cavité interne de la molette soit entièrement remplie d'huile lubrifiante.

2.2 Types de molettes à disque résistantes à la haute pression d'eau

Les molettes à haute pression d'eau se présentent principalement en deux types : le type à piston mobile et le type à vessie gonflable. Le type à piston mobile peut atteindre une pressurisation interne maximale de 6 bars. Combiné à la capacité du joint flottant à supporter une différence de pression sûre de 3 bars, ce type de molette à haute pression d'eau peut répondre aux exigences environnementales des conditions d'excavation jusqu'à 9 bars.

2.3 Technologie d'ouverture de chambre sous pression dans les strates à haute pression d'eau et très perméables

Dans les tunnels forés par bouclier traversant les rivières et les mers, lorsque la machine à bouclier est arrêtée, elle se trouve souvent dans des strates complexes à haute pression d'eau (>0,5 MPa) et à haute perméabilité (coefficient de perméabilité >10⁻² cm/s). De telles strates ne possèdent pas les conditions nécessaires pour des opérations d'ouverture de chambre à pression atmosphérique. Par conséquent, il est impossible d'éviter les opérations d'intervention à l'intérieur de la chambre sous pression. Le changement de couteaux sous pression présente des risques élevés, une progression lente et constitue un danger significatif pour la santé du personnel. Les interventions en chambre sous pression peuvent être divisées en deux types : les opérations conventionnelles à air comprimé et les opérations de plongée en saturation sous pression. Le premier type convient aux conditions de faible profondeur, de pressions relativement basses et de courtes durées d'opération. Le second type convient aux conditions de grande profondeur, de pressions d'air élevées et de longues durées d'opération.

2.3.1 Interventions conventionnelles en chambre à air comprimé sous pression

Le tunnel du fleuve Yangtsé de Nanjing est un projet typique des débuts en Chine ayant adopté la technologie conventionnelle d'ouverture en chambre à air comprimé et de changement de couteaux sous pression. Lorsque le bouclier a foré jusqu'à une profondeur de 53,25 m sous le lit du fleuve, une usure sévère de la roue de coupe et des couteaux s'est produite, rendant toute excavation ultérieure impossible. Afin de garantir l'étanchéité au gaz du terrain lors des opérations à l'air comprimé, le projet a d'abord permis à une grande quantité de boue de bentonite pure à faible densité et faible viscosité de pénétrer dans le front d'excavation. Ensuite, la boue à l'intérieur de la chambre de pression a été remplacée par une boue mixte de bentonite et d'argile afin de former un gâteau de boue dense et étanche au gaz. Après la formation du gâteau de boue, le niveau de boue a été abaissé de 3 m et remplacé par de l'air comprimé. Avant de remplacer les couteaux, les opérateurs sont entrés dans le sas pour être mis en pression, puis ont effectué le travail de remplacement des couteaux à l'intérieur de la chambre de boue. Le temps d'opération effectif par session était de 45 à 60 minutes, avec une efficacité de travail d'environ 50 %.

De plus, la prévention et le traitement de la maladie de décompression (barotraumatisme/accident de décompression) chez les opérateurs en conditions pneumatiques constituent un autre problème clé de cette technologie. Étant donné que le remplacement des molettes par ouverture de la chambre sous pression exige que les opérateurs subissent un processus de pressurisation (généralement 10 à 20 min) pour chaque tâche, ils doivent également subir un processus de décompression (généralement 2 à 3 h) à l'intérieur du sas avant de sortir après avoir terminé l'inspection et le remplacement de la roue de coupe et des molettes. La répétition fréquente des processus de pressurisation et de décompression entraîne facilement des symptômes de décompression chez les opérateurs. Par conséquent, la technologie conventionnelle d'ouverture de chambre à air comprimé et de changement de molettes n'est pas très adaptée aux opérations de remplacement de molettes à forte charge de travail.

2.3.2 Interventions en chambre de plongée en saturation sous pression

Le remplacement des outils de coupe par plongée en saturation nécessite un équipement spécifique sur le tunnelier, tel qu'une chambre de vie hyperbare en saturation et un sas de transfert de personnel (navette). Pendant la période de remplacement des outils de coupe, les opérateurs ne subissent qu'une seule mise en pression. Ils se reposent et attendent dans la chambre de vie hyperbare et travaillent devant la face d'excavation de la roue de coupe. Une fois le travail terminé, ils ne subissent également qu'une seule décompression pour revenir à la pression atmosphérique. Par conséquent, comparé au remplacement conventionnel des outils de coupe à l'air comprimé, le remplacement des outils de coupe par plongée en saturation est applicable aux strates à pressions d'eau et de terre plus élevées. En même temps, il élimine la nécessité de multiples mises en pression et décompressions, améliorant considérablement l'efficacité du travail. Lors de l'utilisation de la plongée en saturation pour les opérations de remplacement des outils de coupe, un seul poste de travail peut durer jusqu'à 6 à 8 heures. L'efficacité du travail est de 8 à 10 fois celle des opérations conventionnelles sous pression. De plus, la chambre de saturation peut accueillir du personnel pendant environ 3 semaines, réduisant efficacement la probabilité de contracter la maladie de décompression.