Machine hydraulique à creuser des tunnels du type à bouclier.
La présente invention concerne d'une manière générale les machines à creuser des tunnels du type à bouclier et, en particulier, des perfectionnements apportés aux- machines hydrauliques du type à bouclier qui soient à même de détecter avec précision l'apparition, la forme, l'importance, etc, d'une excavation en excès quelconque due à un éboulement accidentel du front de taille du tunnel creusé dans un sol meuble et instable.
Jusqu'à présent, dans les machines du type à bouclier utilisées pour creuser des tunnels dans un sol' meuble et instable dans lesquels l'espace intérieur du bouclier présente une cloison un endroit situé derrière une tête de cavage rotative de 1* extrémité' antérieure du bouclier destinée à attaquer le front de taille du tunnel, il était pratiquement impossible d'observer directement ou de se 'rendre, compte d'une manière sûre et précise de l'importance-réelle d'un quelconque éboulement accidentel du front de taille du tunnel, éboulement dont le volume dépasse celui du cavage à réaliser
(appelé ci-après ',excavation en excès!'),. et qui se produit fréquemment lorsqu'on creuse un tunnel dans un sol meuble et instable.
D'une manière spécifique, dans le cas des machines creuser de type hydraulique, qui utilisent généralement de l'eau boueuse comme liquide pour le creusement hydraulique du sol, cette eau boueuse est complètement opaque lorsque les débris de cavage y sont mélangés, de sorte qu'on n'arrive jamais
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si une fenêtre d'observation est prévue dans la cloison. Pour cette raison, certaines mesures ont été suggérées pour déterminer l'apparition d'une excavation en excès sur la base d'une variation rapide ou d'une augmentation du volume de débris de cavage qui sont évacués du front de taille en même temps que l'eau boueuse qui y est amenée, mais par- ces mesures, il est encore impossible de déterminer rapidement l'apparition de l'excavation en excès car l'appréciation de la quantité de débris évacuée implique un délai, dû à la distance existant entre le front de taille du tunnel et le point réel où l'on mesure le volume de débris évacués et, en outre, il est pratiquement impossible de détecter ou de mesurer l'emplacement, la forme et les paramètres analogues de l'excavation en excès, en se basant uniquement sur la quantité variable de débris évacués.
L'invention vise à éviter ces difficultés. Suivant <EMI ID=2.1>
tunnels du type à bouclier comprenant un bouclier en substance cylindrique qui comporte, à une extrémité axiale, une tête de creusement présentant un outil de cavage rotatif en substance en forme de disque pouvant tourner autour de son axe central pour attaquer le front de taille du tunnel qui lui est opposé et pour creuser dans ce front de taille,une cloison délimitant un espace intérieur dans le bouclier à cette extrémité, cloison au centre de laquelle tourillonne l'arbre de la tête de cavage, le bouclier étant équipé,au moins au niveau de la tête decavage, d'un dispositif servant à détecter la distance séparant la surface externe de la tête du front de taille du tunnel.
Le dispositif détecteur de distance est prévu de préférence au niveau de la tête de cavage et dans la périphérie
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le détecteur de distance prévu au niveau de la tête
de cavage comprend au moins un dispositif orienté obliquement
vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal du bouclier
et le détecteur de distance prévu dans le bouclier est orienté radialement par rapport à l'axe central du bouclier.
Suivant une forme d'exécution préférée de l'invention,
le détecteur de distance comprend un dispositif servant à produire et à émettre des oscillations haute fréquence comme des ondes ultrasoniques, des ondes électromagnétiques ou des ondes analogues vers le front de taille du tunnel et à recevoir les oscillations réfléchies par ce front de taille et un dispositif connecté au dispositif émettant et recevant les oscillations
pour déterminer l'intervalle de temps qui s'écoule entre le moment de l'émission et le moment de la réception.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention,
le détecteur de distance comprend un élément mobile, par exemple une longue tige mobile axialement dans un sens ou dans l'autre, cette tige pouvant être avancée jusqu'à ce que son extrémité externe attaque la surface de la paroi du front de taille et pouvant être rétractée dans sa position située à l'intérieur
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cement de l'élément mobile.
Dans une forme d'exécution préférée de l'invention, la machine à creuser des tunnels comprend en outre un dispositif connecté au détecteur de distance pour fonctionner en réaction aux distances détectées. Selon des aspects préférés, le dispositif d'actionnement est un enregistrer servant à enregistrer et à indiquer en continu les distances détectées, un dispositif d'alarme produisant un signal d'alarme lorsque les distances détectées dépassent une valeur prédéterminée ou un dispositif de commande pour tout le système de creusement .
L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple uniquement, avec référer:..ce aux dessins annexés dans lesquels :
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d'une forme d'exécution d'une machine hydraulique à creuser des tunnels du type à bouclier, utilisée conformément à l'invention;
<EMI ID=7.1>
machine représentée sur la Fig.. 1;
la Fig. 3 est un schéma synoptique illustrant un exemple de mécanisme de commande servant à détecter et à mesurer toute excavation en excès,utilisé dans la machine conforme à l'invention et représentée sur la Fig. 1;
la Fig. 4 est un diagramme illustrant des courbes correspondantes des intervalles de temps d'émission et de réception d'ondes ultrasoniques par rapport aux angles de rotation de la tête de cavage, ces courbes représentant les distances entre les dispositifs émetteurs et récepteurs d'ondes ultrasoniques prévus dans la tête de cavage de la machine de la Fig. 1. et les endroits correspondants sur la paroi du front de taille du tunnel présentant une excavation en excès située en substance devant la tête de cavage;
la Fig. 5 est un diagramme illustrant des courbes
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de la paroi d'une cavité d'excavation en excès formée d'une manière spécifique à la partie supérieure de la tête de cavage et de la machine représentée sur la Fig. 1;
la Fig. 6 est une vue en coupe verticale schématique d'une autre forme d'exécution de la machine hydraulique à creuser des tunnels du type à bouclier, utilisée conformément
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la Fig. 7 est une vue en coupe verticale fragmentaire d'une forme d'exécution d'un dispositif conforme à l'invention servant à détecter les distances entre la surface externe de la tête de cavage de la machine et la surface de la paroi du front de taille d'un tunnel; et
la Fig. 8 une vue en coupe semblable à la Fig. 7 d'une autre forme d'exécution du détecteur de distance. distance.
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annexés dans lesquelles une face d'about antérieure d'un bouclier en substance cylindrique 1 de la machine hydraulique à creuser des tunnels présente à une extrémité axiale, une cloison 2 délimitant une chambre hydraulique 21 derrière une tête.de cavage rotative
3 qui est montée à rotation par son arbre 4 au centre de la
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rieure du bouclier 1 pour tailler et creuser le front de taille G et qui est entraînée par un moteur ou un dispositif analogue
(non représenté) . Plusieurs segments de renforcement 22. de
la paroi du tunnel sont installés derrière le bouclier 1 et prolongent ce bouclier vers l'arrière d'une manière continue.
Une conduite d'alimentation 5 servant à débiter un fluide tel que de l'eau, une suspension, de l'eau boueuse ou l'équivalent, sous pression dans la chambre hydraulique 21 est raccordée à une partie supérieure de la cloison 2 afin de s'ouvrir dans-la chambre, tandis qu'une conduite d'évacuation 6 est raccordée à une partie inférieure de la.cloison 2 pour évacuer un mélange formé du fluide d'alimentation et des débris du cavage par la tête rotative 3 en entretenant une pression hydraulique contre le front
de taille G, et introduit dans la chambre hydraulique 21. La machine est propulsée vers le front de taille du tunnel, par exemple au moyen de vérins à huile sous pression non représentés mais installés d'une manière générale à l'intérieur du bouclier 1, près de son extrémité postérieure, et prenant appui par leur extrémité côté plongeur contre l'extrémité antérieure des segments de renforcement 22, en réaction à la quantité de débris réellement excavés.
Une cavité d'excavation en excès 20 est représentée
à titre d'exemple sur la Fig. 1 et est souvent formée lorsqu'on creuse dans un sol meuble et instable, spécifiquement par exemple par suite d'un déséquilibre d'une pression souterraine variant localement au niveau du front de taille du tunnel par rapport à une pression hydraulique du fluide amené à ce front de taille, pression qui est en général prédéterminée pour le creusement du tunnel dans ce sol, par suite d'un déséquilibre de la vitesse de propulsion du bouclier de la machine par rapport à la quantité de débris réellement extraite par cavage et évacuée, cette vitesse
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de débris évacuée, ou par suite de toute variation locale soudaine de la nature ou de l'état du front de taille du tunnel, ou encore par suite de phénomènes analogues. Cette cavité d'excavation
en excès 20 s'étend toujours vers le haut par rapport à l'axe de creusement du tunnel, car les débris d'éboulement tombent sur le bas du front de taille et, si cette cavité subsiste au-dessus des segments de renforcement 22 installés le long de la paroi du tunnel creusé, elle peut entraîner d'autres éboulements dans les couches supérieures du sol allant même jusque la surface du sol et le tunnel creusé peut même être ainsi détérioré.
Pour détecter l'apparition d'une telle excavation
en excès, comme décrit plus haut, la machine à creuser des tunnels conforme à l'invention est équipée d'un dispositif. servant à détecter les distances entre la tête de cavage et le front de taille du tunnel, et ce dispositif comprend, dans le cas présent, plusieurs dispositifs émetteurs et récepteurs d'ondes ultrasoniques 7 à 12, parmi lesquels le dispositif 7 est placé, par exemple près de l'extrémité antérieure du bouclier 1 de la machine de manière à émettre des ondes ultraso- niques en substance verticalement vers le haut par rapport à l'axe central du bouclier 1, le dispositif 8 est placé par exemple au bord périphérique de la tête de cavage rotative 3, de manière à émettre les ondes ultrasoniques radialement et
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dispositifs 9 à 12 sont placés sur la surface antérieure de
la tête de cavage 3 en substance suivant une ligne radiale
située par exemple au milieu d'une zone sectorielle formée entre des rangées adjacentes de nombreux tranchants disposées en croix sur la surface antérieure, comme le montre la Fig. 2. Dans la forme d'exécution préférée, les dispositifs 9 et 10 qui sont plus proches du bord périphérique de la tête de cavage 3 peuvent émettre les ondes ultrasoniques obliquement vers l'extérieur'
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par rapport à l'axe central du bouclier 1 avec lequel l'axe
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les dispositifs 11 et 12, plus proches de l'axe central.émettent les ondes en substance parallèlement à cet axe.
Les dispositifs 7 à 12 qui émettent et reçoivent les ondes ultrasoniques comprennent chacun un émetteur d'ondes ultrasoniques et un récepteur d'ondes ultrasoniques réfléchies,et sont connectés à un dispositif 13 régissant l'émission et la
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l'émission et la réception. Les dispositifs 8 à 12 qui sont prévus dans la tête de cavage rotative 3 sont connectés au dispositif 13 au moyen d'une ligne omnibus 15 qui traverse de préférence un passage axial 16 fprmé dans l'arbre rotatif 4 de la tête 3 et comprenant un dispositif de contact tournant occupant une position appropriée de telle sorte que les dispositifs 8 à 12 soient actionnés pour émettre et recevoir les ondes ultra soniques} de préférence périodiquement, tout en
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dispositif 7 qui occupe une position fixe sur le bouclier 1 est également actionne en synchronisme avec les autres dispositifs.
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de cavage 3 soient représentés comme étant alignés sur une seule ligne radiale, ils peuvent être prévus par exemple dans toutes les zones sectorielles de la surface antérieure de la tête, de manière à être disposés en croix et, dans ce cas, tous les dispositifs émettant et recevant des ondes peuvent être actionnés une fois par révolution de la tête
de cavage 3. Cependant,on comprendra que le plus important
est de détecter l'excavation en excès qui se forme principalement dans la partie supérieure du front de taille du tunnel et c'est pourquoi on utilise l'agencement des dispositifs représenté
aux dessins suivant une seule ligne radiale et on les actionne une fois par révolution - de la tête de cavage lorsqu'ils occupent la position supérieure verticale par rapport à l'axe
du bouclier 1, position qui est représentée aux dessins.
L'actionnement de ces dispositifs émetteur et récepteur d'ondes ultrasoniques peut être effectué sans interruption pendant.les travaux de creusement du tunnel aussi longtemps qu'une mesure appropriée est prévue pour éliminer les interférences réciproques des ondes ultrasoniques émises par d'autres dispositifs et réfléchis par' des points du front de taille autres que ceux vers lesquels les dispositifs correspondants sont orientés.
La Fig. 3 illustre à titre d'exemple un mécanisme servant à détecter et à mesurer une excavation en excès en utilisé dans la présente invention, sous la forme d'un schéma synoptique qui n'est représenté que brièvement aux dessins car ses divers éléments peuvent être de n'importe quel type connu..Aux dessins, le
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le bloc 32 représente les divers dispositifs émetteurs et récepteurs d'ondes ultrasoniques 7 à 12 représentés sur la Fig. 1, les blocs 33 et 34 étant par exemple un dispositif comprenant
un circuit à effet de porte et un compteur d'impulsions qui forment respectivement le dispositif 14 déterminant les intervalles de temps représenté sur la Fig. 1 et le bloc 35 est
un dispositif tel qu'un indicateur ou un enregistreur de valeurs mesurées.un dispositif d'avertissement de la présence
d'une excavation en excès, un dispositif de commande pour tout le système de creusement ou l'équivalent.
Le dispositif 31 commandant l'émission et la réception des ondes ultrasoniques fournit simultanément des signaux de transmission d'ondes à tous les dispositifs émetteurs
du dispositif 32 et à tous les circuits à effet de porte représentés dans le dispositif à circuit-porte qui sont respectivement connectés à chaque récepteur d'ondes réfléchies dans le dispo-
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ainsi les ondes ultrasoniques et les circuits à effet de porte correspondants étant ouverts. Le signal d'émission est également transmis au circuit générateur d'impulsions d'horloge dans le dispositif de commande 31, de sorte que.des impulsions d'horloge sont ainsi produites et transmises aux circuits-portes respectifs dans le dispositif 33. Les circuits-portes qui
sont ouverts par le signal d'émission transmettent les impulsions d'horloge aux. compteurs d'impulsions correspondants et respectifs
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par le dispositif 32 sont réfléchies par le front de taille G du 'tunnel vers les récepteurs d'ondes correspondants prévus dans le dispositif 32 après quoi les récepteurs produisent des signaux de réception pour les circuits générateurs d'impulsions correspondants du dispositif 31 de manière à inte- rompre la production des impulsions, de sorte que les circuits-portés du dispositif 33 sont fermés . Les impulsions d'horloge qui tra-
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qui parviennent aux compteurs d'impulsions correspondants, y sont comptées et, suivant les nombres d'impulsions d'horloge ainsi comptées jusqu'à ce que les circuits-portes soient fermés
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duit des signaux de sortie indiquant les intervalles de temps d'émission et de réception des ondes ultrasoniques détectés
par les dispositifs émetteur et récepteur correspondants, signaux qui sont présentés au dispositif d'actionnement 35, de manière
à être affichés en vue de produire un signal d'alarme si une excavation en excès est détectée, pour commander le système de creu-
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taille du tunnel ainsi détecté, ou de manière à permettre l'enregistrement des valeurs détectées et mesurées et leur traitement ul-térieur par le dispositif 35. On comprendra que, en affichant ou en enregistrant les signaux d'intervalles de temps
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comme des signaux indiquant, par leur état, des distances réelles entre des dispositifs émetteurs et\récepteurs d'ondes correspondants et les points également correspondants du front de taille du tunnel opposé aux dispositifs, la forme réelle de
la paroi constituant le front de taille du tunnel, pouvant en outre être affichée - sur un oscillographe ou sur
un dispositif analogue si les signaux correspondants y sont reportés convenablement en fonction des emplacements correspondants des dispositifs émetteurs et récepteurs d'ondes par rapport au centre de la tête de cavage rotative ou du bouclier de la machine.
La Fig. �- montre que les signaux correspondants indi-
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et mesurés par les dispositifs émetteurs et récepteurs d'ondes 9 à 12, pendant une rotation de la tête de cavage de 180[deg.], sont reportés sur le diagramme de la Fig. 4 dans lequel les intervalles de temps sont indiqués en abscisses et les angles de rotation de la tête de coupe sont indiqués en ordonnées. Les courbes respectives indiquées par les références TR 9 à TR12 représentent les mesures correspondantes des intervalles de temps ou des distances détectées par les dispositifs émetteurs et récepteurs d'ondes 9 à 12, dans les cas où l'opération de détection et de mesure est effectuée en continu ou périodiquement, tandis que la tête de cavage tournante 3 portant les
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sur la Fig. 1 vers la position opposée, c'est-à-dire de 180[deg.], et où le front de taille G du tunnel présente une excavation en excès, comme par exemple la cavité 20 représentée sur la 'Fig. 1. -Il ressort du diagramme que, comme l'excavation en .0 excès se présente dans la partie supérieure du front de taille G du tunnel, les courbes de mesure des dispositifs émetteurs et récepteurs à des endroits plus proches de la périphérie de la tête de cavage, varient davantage, tandis que les courbes sont en substance planes au cas où aucune excavation en excès ne
se présente.
Pour déterminer la hauteur de la paroi de la cavité d'excavation en excès 20, on multiplie les mesures du dispositif
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et les résultats de cette multiplication sont indiqués par
une courbe TR9 (sinus 60[deg.]) sur le diagramme.de la Fig. 5 dans lequel les hauteurs sont indiquées en abscisses et les angles de rotation de la tête de cavage sont indiqués en ordonnées. Des mesures du dispositif émetteur et récepteur d'ondes 8 dispose à la périphérie de la tête de cavage sont .indiquées, dans
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rapport à la périphérie de la tête de cavage. Des mesures du dispositif fixe 7 disposé près de l'extrémité antérieure du bouclier 1 de la machine à creuser des tunnels sont directement représentatives de la hauteur et, si ces mesures sont repor-
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substance plane et ses différences de niveau dépendent de l'état de la paroi de la cavité.
La Fig. 6 illustre une autre forme d'exécution de l'invention dans laquelle une machine à creuser des tunnels 61 du type à bouclier comprend un bouclier en substance cylindrique
62 dont une extrémité axiale est divisée par une cloison 68 formant une tête de creusement de la machine et au centre de laquelle tourillonne un arbre tournant d'une tête de cavage rotative en substance en forme de disque 70 entraînée par un dispositif d'entraînement adéquat non représenté mais installé d'une manière générale derrière la cloison. Bien que les dessins ne le montrent pas d'une manière spécifique pour plus de simplicité, la machine est également pourvue d'une conduite d'alimentation d'agent hydraulique ouverte à l'extrémité axiale du bouclier derrière la tête de cavage 70 et une conduite d'évacuation du mélange d'agent hydraulique et de débris s'ouvre
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draulique sous une pression résistant à la pression d'une eau souterraine ou du front de taille est amené
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tandis que la tête de cavage tourne pour attaquer et creuser le sol et un mélange de l'agent hydraulique et des débris de cavage est évacué de la tête de cavage et du tunnel en cours de creusement, la machine, quant à elle, avançant vers le front de taille du tunnel en fonction de la quantité de débris de cavage et à l'intervention de vérins ou de dispositifs analogues- et des segments de renforcement étant' installés derrière la machine qui avance.
Selon cette forme d'exécution, le bouclier 62 présente une ouverture dans une zone située près de la tête de cavage, de préférence en plusieurs endroits espacés les uns des autres dans la partie supérieure du bouclier, et un détecteur d'excavation en excès 63 qui comporte un élément mobile qui peut être avancé et rétracté à travers l'ouverture dans un sens dirigé vers la haut. Comme l'excavation en excès se forme principalement dans la partie supérieure du front de taille du tunnel, il est important de détecter son apparition dans
cette partie supérieure: pour maintenir stables le tunnel en cours de creusement et le sol environnant. La dis. tance de laquelle l'élément mobile du dispositif détecteur
63 avance pour atteindre-la paroi du front de taille du tunnel ou la surface d'une cavité formée par l'excavation en excès <EMI ID=37.1>
voie électrique, la valeur mesurée étant transmise de préférence à un enregistreur 67 par un émetteur de signaux synchrones
65 et un récepteur de signaux synchrones 66, de sorte que la présence ou l'absence, la position, la forme et l'importance
de l'excavation en excès sont ainsi contrôlées.
Le dispositif détecteur 63 est avantageusement disposé à un endroit du bouclier 62 situé immédiatement derrière la cloison 68, mais_pour effectuer'la détection par rapport à
une région du coté supérieur de l'extrémité antérieure du bouclier, il est préférable de prévoir une chambre en retrait
69 dans la chambre hydraulique délimitée par la cloison 68, derrière la tête de cavage 70,et communiquant avec l'espace de travail se trouvant à l'intérieur du bouclier,et de disposer, dans cette chambre 69, un dispositif détecteur 63' pouvant
faire avancer son élément mobile dans un sens dirigé obliquement vers le haut.
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d'exécution qui précède est indiqué sur la Fig. 7 dans laquelle l'enveloppe . 701 du bouclier percée d'une ouverture 702 à un endroit situé près de la cloison, et une tige détectrice 703 -est disposée dans l'ouverture 702, de manière à pouvoir être sortie du bouclier et rentrée dans celui-ci. La tige 703, dans la position en traits pleins, se trouve dans sa position rétractée et une ligne en traits de
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disposé autour de la tige 703 dans la position rétractée est fixé à la surface interne de l'enveloppe 701, de manière à
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bourrage étanche à l'eau 706 est logé entre la séparation 705. et l'enveloppe 701, de sorte que, lorsque la tige détectrice 703 est avancée et rétractée, l'eau souterraine présente éventuel-
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bouclier par l'ouverture 702. Au bas de l'élément tubulaire 704, urie plaque de fond 707 percée d'un trou central est fixée en place, une tige filetée 708 traversant le trou de manière à pouvoir. être déplacée dans le sens axial et cette tige filetée
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ment dans la tige détectrice 703. De plus, dans l'élément tubu-
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levier d'actionnement 711 fixé à une extrémité à la tige détectrice 703 pour actionner, à l'autre extrémité, un potentiomètre
712. L'extrémité de la tige filetée 708 s'étend au-delà de
la plaque de fond 707 et une poulie 716 y est fixée, de sorte que la tige 708 tourne autour de son axe à l'intervention d'un
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moteur 713.
En ce qui concerne le fonctionnement du dispositif détecteur d'excavation en excès décrit avec référence à la forme d'exécution de la Fig. 7 conforme à l'invention, le moteur 713 est entraîné en rotation de préférence pendant une période de temps fixe, de sorte que la tige filetée 708 est entraînée en rotation axialement et que, suivant le sens de
sa rotation, la tige détectrice 703 se déplace axialement
et sort du bouclier jusqu'à ce que son= extrémité externe vienne buter . contre la surface de la paroi du front de taille entourant le bouclier et sa tête de cavage. Le levier d'actionnement 711 qui accompagne ce déplacement de la tige 703 se déplace également, de telle sorte qu'il actionne un élément mobile du potentiomètre 712 en'réaction
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de mesurer périodiquement la distance de déplacement du levier <EMI ID=47.1>
des variations de la résistance électrique du potentiomètre 712, les distances entre la périphérie du bouclier et la surface
du front de taille pouvant être déterminées, et, si cette valeur devient importante, cela signifie qu'une excavation en excès
est en cours de formation. Cela étant, si plusieurs dispositifs détecteurs sont disposés et espacés le long de l'axe central
du bouclier et encore mieux aussi suivant une ligne recoupant cet axe central, la forme, l'importance et des paramètres analogues d'une cavité quelconque résultant d'une excavation en excès, peuvent, être déterminés précisément en fonction de la répartition des dispositifs détecteurs et des distances mesurées.
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scieur qui arrête sa rotation ou en reverse le sens -en réaction
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Lorsque le moteur ou la tige filetée 708 tourne dans le sens inverse,la tige détectrice 703 est rétractée dans l'élément
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Un autre exemple pratique du dispositif détecteur est représenté sur la Fig. 8 dans laquelle une ouverture 802 est ménagée dans l'enveloppe 801 du bouclier et une tige détectrice
803 est disposée dans l'ouverture 802, de manière à pouvoir être avancée et rétractée à travers cette ouverture. Un élément tubulaire 804 est fixé à une extrémité axiale à la surface interne de l'enveloppe 801, de manière à enfermer axialement la
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un endroit situé près de la surface interne de l'enveloppe et, entre cette séparation 805 et l'enveloppe 801, un bourrage étanche
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toute eau souterraine ou analogue de pénétrer dans le bouclier lorsque la tige détectrice 803 est avancée et rétractée. Du <EMI ID=53.1>
par exemple )Un vérin à huile sous pression 807 qui est entraîné de manière réglable, par voie électrique, par l'intermédiaire d'un transformateur différentiel et ce vérin 807'est supporté dans cette position de préférence au moyen de deux tiges de support 808 et 808' fixées à l'enveloppe. 'Un plongeur 809
du vérin 807 est couplé à une extrémité interne de la tige détectrice 803 au moyen d'un pivot 810. Le plongeur .809 du vérin, ou son piston, est relié par n'importe quel moyen adéquat à un contact mobile d'une résistance-: électrique. variable 811 formant un potentiomètre de telle sorte que la valeur électrique de la résistance 811 varie en réaction aux positions ou déplacements de la tige détectrice 803 à l'intervention du- vérin 807, la distance d'avancement de la tige 803 étant déterminée compte tenu des variations de la
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rieur de -son cylindre.
Dans le cas de la forme d'exécution de la Fig. 6,
il est également possible de déterminer ou de mesurer la hauteur de la cavité de l'excavation en excès au-dessus du bouclier ou de la tête de cavage en convertissant la distance mesurée dans le dispositif détecteur avançant en oblique 63', sur la base de l'angle oblique de ce dispositif par rapport à l'axe
du bouclier.
Suivant l'invention, comme décrit plus haut, l'apparition d'une excavation en excès dans le front de taille du tunnel en cours de creusement peut être rapidement détectée sans retard appréciable, malgré que le creusement s'effectue
en aveugle pour les opérateurs de la machine en ce qui concerne l'état du sol, car la machine est pourvue des dispositifs détecteurs décrits. Comme les mesures de ces dispositifs détecteurs peuvent être utilisées même pour afficher la forme, l'importance, l'emplacement, etc. de l'excavation en excès obtenue, les opérateurs peuvent se rendre compte immédiatement de l'état de l'excavation avancée, de sorte que toute mesure adéquate contre l'excavation en excès peut être- prise promptement.
Comme les mesures peuvent en outre être utilisées comme signaux pour commander le système de creusement hydraulique du tunnel en réaction à l'état ainsi détecté d'une excavation en excès quelconque formée dans le front de taille, 'le système peut être mis en oeuvre même d'une manière automatique tout en surveillant continuellement l'état du front de taille du tunnel en cours de creusement et en prenant toutes les mesures adéquates dues.à la présence de l'excavation en excès.
REVENDICATIONS
1.- Machine hydraulique à creuser des tunnels du type
à bouclier, caractérisée en ce, qu'elle comprend un bouclier en substance cylindrique comportant, à une extrémité axiale, une tête de creusement présentant une tête de cavage en substance
en forme de disque tournant autour de son axe central pour attaquer ou creuser le front de taille du tunnel qui y est opposé, et une cloison délimitant un espace intérieur cloisonné dans le bouclier à la dite extrémité et portant en son centre l'arbre de la tête de cavage, le bouclier étant pourvu,'
au moins au niveau de la tête de cavage, de moyens servant à détecter des distances entre la surface externe de la tête et le front de taille du tunnel.
Hydraulic shield type tunnel digging machine.
The present invention relates generally to tunnel-digging machines of the shield type and, in particular, to improvements made to hydraulic machines of the shield type which are capable of accurately detecting the appearance, the shape, the importance, etc., of any excess excavation due to an accidental landslide of the face of the tunnel dug in loose and unstable soil.
Heretofore, in shield type machines used for tunneling in loose and unstable soil in which the interior space of the shield has a bulkhead a location behind a rotating digging head at the front end shield intended to attack the working face of the tunnel, it was practically impossible to observe directly or to realize, in a sure and precise manner, the real importance of any accidental landslide of the working face tunnel, landslide whose volume exceeds that of the excavation to be carried out
(hereinafter called ', excess excavation!') ,. and which frequently occurs when tunneling in loose, unstable soil.
Specifically, in the case of hydraulic type digging machines, which usually use muddy water as the liquid for hydraulic digging of the soil, this muddy water is completely opaque when the digging debris is mixed with it, so that we never arrive
<EMI ID = 1.1>
if an observation window is provided in the partition. For this reason, some measures have been suggested to determine the occurrence of excess excavation based on a rapid change or increase in the volume of excavation debris which is discharged from the working face at the same time as the muddy water which is brought there, but by- these measures it is still impossible to quickly determine the appearance of the excess excavation because the appreciation of the quantity of debris evacuated implies a delay, due to the existing distance between the face of the tunnel and the actual point where the volume of debris evacuated is measured and, furthermore, it is practically impossible to detect or measure the location, shape and the like parameters of the excavation in excess, based solely on the varying amount of debris removed.
The invention aims to avoid these difficulties. Next <EMI ID = 2.1>
Shield-type tunnels comprising a substantially cylindrical shield which has, at one axial end, a digging head having a substantially disc-shaped rotating digging tool rotatable about its central axis to engage the working face of the tunnel which is opposite to it and to dig into this working face, a partition delimiting an interior space in the shield at this end, partition in the center of which the shaft of the digging head pivots, the shield being equipped, at least at the level of the excavating head, a device for detecting the distance separating the outer surface of the head from the tunnel face.
The distance detector device is preferably provided at the level of the digging head and in the periphery
<EMI ID = 3.1>
<EMI ID = 4.1>
the distance detector provided at the head
digging device comprises at least one obliquely oriented device
outwards from the longitudinal axis of the shield
and the distance detector provided in the shield is oriented radially with respect to the central axis of the shield.
According to a preferred embodiment of the invention,
the distance detector comprises a device for producing and emitting high frequency oscillations such as ultrasonic waves, electromagnetic waves or the like towards the working face of the tunnel and for receiving the oscillations reflected by this cutting front and a device connected to the device emitting and receiving the oscillations
to determine the time interval between the time of transmission and the time of reception.
In another embodiment of the invention,
the distance detector comprises a movable element, for example a long rod movable axially in one direction or the other, this rod being able to be advanced until its external end attacks the surface of the wall of the working face and being able to be retracted to its position inside
<EMI ID = 5.1>
cement of the mobile element.
In a preferred embodiment of the invention, the tunneling machine further comprises a device connected to the distance sensor for operating in response to the detected distances. In preferred aspects, the actuator is a recorder for continuously recording and indicating the detected distances, an alarm device producing an alarm signal when the detected distances exceed a predetermined value or a controller for the whole digging system.
The invention will be described below, by way of example only, with reference to: .. this to the accompanying drawings in which:
<EMI ID = 6.1>
of an embodiment of a hydraulic tunneling machine of the shield type, used in accordance with the invention;
<EMI ID = 7.1>
machine shown in Fig. 1;
Fig. 3 is a block diagram illustrating an example of a control mechanism for detecting and measuring any excess excavation, used in the machine according to the invention and shown in FIG. 1;
Fig. 4 is a diagram illustrating corresponding curves of the time intervals of emission and reception of ultrasonic waves with respect to the angles of rotation of the digging head, these curves representing the distances between the devices emitting and receiving ultrasonic waves provided in the digging head of the machine of FIG. 1. and the corresponding places on the wall of the working face of the tunnel having an excess excavation situated substantially in front of the digging head;
Fig. 5 is a diagram illustrating curves
<EMI ID = 8.1>
of the wall of an excess excavation cavity formed in a specific manner at the top of the digging head and of the machine shown in FIG. 1;
Fig. 6 is a schematic vertical sectional view of another embodiment of the hydraulic shield type tunneling machine used in accordance with
<EMI ID = 9.1>
Fig. 7 is a fragmentary vertical sectional view of one embodiment of a device according to the invention for detecting the distances between the outer surface of the digging head of the machine and the surface of the wall of the front of the machine. size of a tunnel; and
Fig. 8 a sectional view similar to FIG. 7 of another embodiment of the distance detector. distance.
<EMI ID = 10.1>
appended in which a front end face of a substantially cylindrical shield 1 of the hydraulic tunneling machine has at one axial end a partition 2 delimiting a hydraulic chamber 21 behind a rotary digging head
3 which is rotatably mounted by its shaft 4 in the center of the
<EMI ID = 11.1>
top of shield 1 for cutting and digging the front of size G and which is driven by a motor or similar device
(not shown). Several reinforcement segments 22. of
the tunnel wall are installed behind shield 1 and extend this shield backwards in a continuous manner.
A supply line 5 for delivering a fluid such as water, slurry, muddy water or the like, under pressure in the hydraulic chamber 21 is connected to an upper part of the partition 2 in order to open into the chamber, while a discharge line 6 is connected to a lower part of the partition 2 to discharge a mixture formed of the feed fluid and the debris of the excavation through the rotary head 3 while maintaining hydraulic pressure against the forehead
of size G, and introduced into the hydraulic chamber 21. The machine is propelled towards the working face of the tunnel, for example by means of pressurized oil jacks not shown but generally installed inside the shield 1 , near its rear end, and bearing by their plunger end against the anterior end of the reinforcement segments 22, in reaction to the quantity of debris actually excavated.
An excess excavation cavity 20 is shown
by way of example in FIG. 1 and is often formed when digging in loose and unstable soil, specifically, for example, as a result of an imbalance of a subterranean pressure varying locally at the level of the working face of the tunnel with respect to a hydraulic pressure of the fluid supplied to this face, pressure which is generally predetermined for the digging of the tunnel in this ground, as a result of an imbalance of the propulsion speed of the shield of the machine compared to the quantity of debris actually extracted by digging and evacuated, this speed
<EMI ID = 12.1>
debris evacuated, or as a result of any sudden local variation in the nature or condition of the tunnel face, or even as a result of similar phenomena. This excavation cavity
excess 20 always extends upwards from the tunneling axis, as the landslide debris falls on the bottom of the face and, if this cavity remains above the reinforcement segments 22 installed along the wall of the dug tunnel, it can cause further landslides in the upper layers of the soil even down to the surface of the ground and the dug tunnel can even be damaged in this way.
To detect the appearance of such an excavation
in excess, as described above, the tunnel digging machine according to the invention is equipped with a device. serving to detect the distances between the digging head and the working face of the tunnel, and this device comprises, in the present case, several devices transmitting and receiving ultrasonic waves 7 to 12, among which the device 7 is placed, for example example near the front end of the shield 1 of the machine so as to emit ultrasonic waves substantially vertically upward with respect to the central axis of the shield 1, the device 8 is placed for example at the peripheral edge of the rotary digging head 3, so as to emit the ultrasonic waves radially and
<EMI ID = 13.1>
devices 9 to 12 are placed on the anterior surface of
the digging head 3 substantially along a radial line
located for example in the middle of a sectoral zone formed between adjacent rows of numerous cutting edges arranged in a cross on the anterior surface, as shown in FIG. 2. In the preferred embodiment, the devices 9 and 10 which are closer to the peripheral edge of the digging head 3 can emit the ultrasonic waves obliquely outward.
<EMI ID = 14.1>
with respect to the central axis of the shield 1 with which the axis
<EMI ID = 15.1>
the devices 11 and 12, closer to the central axis, emit the waves substantially parallel to this axis.
The devices 7 to 12 which emit and receive the ultrasonic waves each include an ultrasonic wave transmitter and a reflected ultrasonic wave receiver, and are connected to a device 13 controlling the emission and the transmission.
<EMI ID = 16.1>
<EMI ID = 17.1>
transmission and reception. The devices 8 to 12 which are provided in the rotary digging head 3 are connected to the device 13 by means of a bus line 15 which preferably passes through an axial passage 16 formed in the rotary shaft 4 of the head 3 and comprising a rotary contact device occupying an appropriate position such that devices 8 to 12 are actuated to emit and receive ultrasonic waves} preferably periodically, while
<EMI ID = 18.1>
device 7 which occupies a fixed position on the shield 1 is also actuated in synchronism with the other devices.
<EMI ID = 19.1>
caving 3 are shown as being aligned on a single radial line, they can be provided for example in all the sectoral areas of the anterior surface of the head, so as to be arranged in a cross and, in this case, all the transmitting devices and receiving waves can be operated once per revolution of the head
digging 3. However, it will be understood that the most important
is to detect the excess excavation which forms mainly in the upper part of the working face of the tunnel and this is why the arrangement of the devices shown is used
to the drawings along a single radial line and are actuated once per revolution - of the digging head when they occupy the upper vertical position with respect to the axis
of shield 1, a position which is shown in the drawings.
The actuation of these ultrasonic wave emitting and receiving devices can be performed without interruption during tunneling work as long as appropriate action is taken to eliminate mutual interference from ultrasonic waves emitted by other devices and reflected from points on the working face other than those to which the corresponding devices are oriented.
Fig. 3 illustrates by way of example a mechanism for detecting and measuring excess excavation in use in the present invention, in the form of a block diagram which is shown only briefly in the drawings since its various elements may be of any known type. In the drawings, the
<EMI ID = 20.1>
<EMI ID = 21.1>
block 32 represents the various ultrasonic wave transmitting and receiving devices 7 to 12 shown in FIG. 1, blocks 33 and 34 being for example a device comprising
a gate effect circuit and a pulse counter which respectively form the device 14 determining the time intervals shown in FIG. 1 and block 35 is
a device such as an indicator or a recorder of measured values. a presence warning device
excess excavation, a control device for the entire excavation system or equivalent.
The device 31 controlling the transmission and reception of the ultrasonic waves simultaneously supplies wave transmission signals to all the transmitting devices
of the device 32 and to all the gate circuits shown in the gate device which are respectively connected to each receiver of waves reflected in the device.
<EMI ID = 22.1>
thus the ultrasonic waves and the corresponding gate circuits being opened. The transmit signal is also transmitted to the clock pulse generator circuit in the controller 31, so that clock pulses are thus produced and transmitted to the respective gate circuits in the device 33. The circuits - doors which
are opened by the transmit signal transmit the clock pulses to. corresponding and respective pulse counters
<EMI ID = 23.1>
by device 32 are reflected by the size edge G of the tunnel to the corresponding wave receivers provided in device 32 after which the receivers generate reception signals for the corresponding pulse generator circuits of device 31 so as to interrupt the production of the pulses, so that the circuits-carried of the device 33 are closed. The clock pulses that pass through
<EMI ID = 24.1>
which reach the corresponding pulse counters, are counted there and, depending on the number of clock pulses thus counted, until the gate circuits are closed
<EMI ID = 25.1>
produces output signals indicating the transmission and reception time intervals of the detected ultrasonic waves
by the corresponding transmitter and receiver devices, signals which are presented to the actuator 35, so
to be displayed to generate an alarm signal if excess excavation is detected, to control the digging system
<EMI ID = 26.1>
size of the tunnel thus detected, or so as to allow the recording of the detected and measured values and their subsequent processing by the device 35. It will be understood that, by displaying or recording the time interval signals
<EMI ID = 27.1>
as signals indicating, by their state, real distances between transmitting and receiving devices of corresponding waves and also corresponding points of the cutting edge of the tunnel opposite the devices, the real shape of
the wall constituting the face of the tunnel, which can also be displayed - on an oscillograph or on
a similar device if the corresponding signals are appropriately transferred to it as a function of the corresponding locations of the wave emitting and receiving devices with respect to the center of the rotary digging head or of the shield of the machine.
Fig. � - shows that the corresponding signals indi-
<EMI ID = 28.1>
and measured by the transmitting and receiving devices 9 to 12, during a rotation of the digging head of 180 [deg.], are shown in the diagram of FIG. 4 in which the time intervals are indicated on the abscissa and the angles of rotation of the cutting head are indicated on the ordinate. The respective curves indicated by the references TR 9 to TR12 represent the corresponding measurements of the time intervals or distances detected by the devices transmitting and receiving waves 9 to 12, in the cases where the operation of detection and measurement is carried out. continuously or periodically, while the rotating digging head 3 carrying the
<EMI ID = 29.1>
in Fig. 1 to the opposite position, i.e. 180 [deg.], And where the cut front G of the tunnel has excess excavation, such as, for example, cavity 20 shown in FIG. 1. -It emerges from the diagram that, as the excess .0 excavation occurs in the upper part of the face of size G of the tunnel, the measurement curves of the transmitting and receiving devices at places closer to the periphery of the tunnel. digging head, vary more, while the curves are substantially flat in case no excess excavation is
introduces himself.
To determine the height of the wall of the excess excavation cavity 20, the measurements of the device are multiplied
<EMI ID = 30.1>
and the results of this multiplication are indicated by
a TR9 curve (sine 60 [deg.]) on the diagram of Fig. 5 in which the heights are indicated on the abscissa and the angles of rotation of the digging head are indicated on the ordinate. Measurements of the wave emitter and receiver device 8 disposed at the periphery of the digging head are indicated, in
<EMI ID = 31.1>
<EMI ID = 32.1>
relative to the periphery of the digging head. Measurements of the fixed device 7 arranged near the front end of the shield 1 of the tunnel digging machine are directly representative of the height and, if these measurements are reported.
<EMI ID = 33.1>
flat substance and its level differences depend on the state of the wall of the cavity.
Fig. 6 illustrates another embodiment of the invention in which a tunnel-digging machine 61 of the shield type comprises a substantially cylindrical shield
62, one axial end of which is divided by a partition 68 forming a digging head of the machine and in the center of which a rotating shaft journals of a substantially disc-shaped rotating digging head 70 driven by a suitable drive device not shown but generally installed behind the partition. Although the drawings do not show it in a specific manner for simplicity, the machine is also provided with a hydraulic agent supply line open at the axial end of the shield behind the digging head 70 and a discharge line for the mixture of hydraulic agent and debris opens
<EMI ID = 34.1>
hydraulics under pressure resistant to the pressure of groundwater or the working face is supplied
<EMI ID = 35.1>
<EMI ID = 36.1>
while the digging head rotates to attack and dig the soil and a mixture of hydraulic agent and digging debris is discharged from the digging head and the tunnel being digged, the machine, in turn, advancing towards the face of the tunnel size depending on the amount of excavation debris and the intervention of jacks or the like - and reinforcing segments being 'installed behind the advancing machine.
According to this embodiment, the shield 62 has an opening in an area located near the digging head, preferably in several places spaced apart from each other in the upper part of the shield, and an excess excavation detector 63 which has a movable member which can be advanced and retracted through the opening in an upward direction. As the excess excavation forms mainly in the upper part of the tunnel face, it is important to detect its occurrence in
this upper part: to keep the tunnel being excavated and the surrounding soil stable. Say it. tance of which the movable element of the detector device
63 advance to reach-the wall of the face of the tunnel or the surface of a cavity formed by the excess excavation <EMI ID = 37.1>
electrical channel, the measured value preferably being transmitted to a recorder 67 by a synchronous signal transmitter
65 and a synchronous signal receiver 66, so that the presence or absence, position, shape and importance
excess excavation is thus controlled.
The detector device 63 is advantageously disposed at a location of the shield 62 situated immediately behind the partition 68, but to perform the detection with respect to
a region on the upper side of the front end of the shield, it is preferable to provide a recessed chamber
69 in the hydraulic chamber delimited by the partition 68, behind the digging head 70, and communicating with the working space located inside the shield, and to have, in this chamber 69, a detector device 63 ′ capable of
advance its mobile element in a direction directed obliquely upwards.
<EMI ID = 38.1>
execution above is shown in Fig. 7 in which the envelope. 701 of the shield pierced with an opening 702 at a location near the partition, and a detector rod 703 -is disposed in the opening 702, so as to be able to be taken out of the shield and re-entered therein. Rod 703, in the solid line position, is in its retracted position and a dashed line
<EMI ID = 39.1>
disposed around the rod 703 in the retracted position is fixed to the internal surface of the casing 701, so as to
<EMI ID = 40.1>
Watertight packing 706 is housed between partition 705. and casing 701, so that when sensing rod 703 is advanced and retracted, groundwater will possibly be present.
<EMI ID = 41.1>
shield through opening 702. At the bottom of tubular member 704, a bottom plate 707 pierced with a central hole is fixed in place, a threaded rod 708 passing through the hole so as to be able. be moved in the axial direction and this threaded rod
<EMI ID = 42.1>
ment in the sensor rod 703. In addition, in the tubular element
<EMI ID = 43.1>
actuating lever 711 attached at one end to the sensing rod 703 for actuating a potentiometer at the other end
712. The end of the threaded rod 708 extends beyond
the bottom plate 707 and a pulley 716 is fixed thereto, so that the rod 708 rotates around its axis by the intervention of a
<EMI ID = 44.1>
<EMI ID = 45.1>
engine 713.
With regard to the operation of the excess excavation detector device described with reference to the embodiment of FIG. 7 according to the invention, the motor 713 is driven in rotation preferably for a fixed period of time, so that the threaded rod 708 is driven in rotation axially and that, in the direction of
its rotation, the sensing rod 703 moves axially
and comes out of the shield until its = outer end abuts. against the surface of the wall of the working face surrounding the shield and its digging head. The actuating lever 711 which accompanies this movement of the rod 703 also moves, so that it actuates a movable element of the potentiometer 712 in reaction.
<EMI ID = 46.1>
periodically measure the distance the lever has moved <EMI ID = 47.1>
variations in the electrical resistance of potentiometer 712, the distances between the periphery of the shield and the surface
face that can be determined, and, if this value becomes large, it means that an excess excavation
is being formed. However, if several sensing devices are arranged and spaced along the central axis
shield and even better also along a line intersecting this central axis, the shape, size and similar parameters of any cavity resulting from an excess excavation, can be determined precisely as a function of the distribution of the detection devices and measured distances.
<EMI ID = 48.1>
sawyer who stops his rotation or reverses the direction - in reaction
<EMI ID = 49.1>
As the motor or threaded rod 708 rotates in the reverse direction, the sense rod 703 is retracted into the element.
<EMI ID = 50.1>
Another practical example of the detector device is shown in FIG. 8 in which an opening 802 is formed in the casing 801 of the shield and a detector rod
803 is disposed in the opening 802, so as to be able to be advanced and retracted through this opening. A tubular member 804 is attached at an axial end to the inner surface of the casing 801, so as to axially enclose the
<EMI ID = 51.1>
a place located near the inner surface of the envelope and, between this separation 805 and the envelope 801, a tight packing
<EMI ID = 52.1>
any groundwater or the like from entering the shield when the sense rod 803 is advanced and retracted. From <EMI ID = 53.1>
for example) A pressurized oil cylinder 807 which is driven in an adjustable manner, electrically, by means of a differential transformer and this cylinder 807 is supported in this position preferably by means of two support rods 808 and 808 'attached to the casing. 'A diver 809
of the ram 807 is coupled to an inner end of the sensing rod 803 by means of a pivot 810. The plunger .809 of the ram, or its piston, is connected by any suitable means to a movable contact of a resistance -: electric. variable 811 forming a potentiometer such that the electrical value of resistor 811 varies in reaction to the positions or movements of the detector rod 803 to the intervention of the cylinder 807, the distance of advance of the rod 803 being determined taking into account variations of
<EMI ID = 54.1>
<EMI ID = 55.1>
laughing at his cylinder.
In the case of the embodiment of FIG. 6,
it is also possible to determine or measure the height of the excess excavation cavity above the shield or the digging head by converting the distance measured in the advancing sensing device 63 ', based on the oblique angle of this device with respect to the axis
shield.
According to the invention, as described above, the appearance of an excess excavation in the face of the tunnel during digging can be rapidly detected without appreciable delay, despite the digging taking place.
blind for the operators of the machine as regards the condition of the ground, because the machine is provided with the described detection devices. As the measurements of these sensing devices can be used even to display shape, importance, location, etc. From the excess excavation obtained, operators can immediately see the condition of the advanced excavation, so that any adequate action against the excess excavation can be taken promptly.
As the measurements can further be used as signals to control the hydraulic tunneling system of the tunnel in response to the thus detected state of any excess excavation formed in the face, the system can be operated even. automatically while continuously monitoring the condition of the working face of the tunnel being excavated and taking all appropriate measures due to the presence of the excess excavation.
CLAIMS
1.- Hydraulic tunneling machine of the type
with shield, characterized in that it comprises a substantially cylindrical shield comprising, at one axial end, a digging head having a substantially digging head
in the form of a disc rotating around its central axis to attack or dig the face of the tunnel which is opposite to it, and a partition delimiting an internal space partitioned in the shield at the said end and carrying in its center the shaft of the digging head, the shield being provided, '
at least at the level of the digging head, means for detecting distances between the external surface of the head and the working face of the tunnel.