Sur le chantier du tunnel de l’île de Huandao, dans le cadre du pont Xiamen-Jinmen (section de Xiamen), un « bras en acier » à onze degrés de liberté opère avec agilité à l’intérieur d’un tunnelier de 16,15 mètres de diamètre. Fini le temps où les ouvriers devaient travailler sous pression, transporter à mains nues des molettes de plus de 200 kg dans une boue étouffante. Désormais, sous la direction d’un système de jumeau numérique, le robot identifie, planifie et remplace les outils de manière autonome. Le 25 juin, le premier robot intelligent de changement d’outils pour tunnelier lourd de Chine, développé après six ans de recherche par le China Railway 14th Bureau Group, a été officiellement présenté et mis en service, marquant une nouvelle étape dans la construction de tunnels de grand diamètre : celle du « changement d’outils sans intervention humaine ».

L’usure des « dents » du tunnelier : un changement d’outils comparable à un déminage souterrain

Le tunnelier est un équipement national de premier plan pour traverser montagnes et mers. Les outils situés devant la tête de coupe, semblables à des « dents », taillent la roche et le sol, et s’usent au fur et à mesure de l’avancement. Un changement d’outils efficace et sûr est essentiel pour maintenir la capacité opérationnelle du tunnelier.

Cependant, l’environnement de travail traditionnel pour le changement d’outils sous pression est extrêmement difficile. Dans les tunnels à pression de boue, les ouvriers doivent travailler sous pression dans la chambre, ce qui rend les déplacements difficiles et les expose à de multiples risques : instabilité du front de taille, gaz nocifs, maladie de décompression, etc. L’espace dans la chambre de changement d’outils est exigu, la lumière faible, l’air chaud, humide et trouble. Le changement d’outils traditionnel nécessite trois opérateurs et plus de quatre heures, avec une faible efficacité et un coût élevé.

« Difficulté de détection, danger de changement d’outils » : c’est un problème reconnu par l’industrie. En particulier dans la construction de tunnels de très grand diamètre, le nombre d’outils est élevé, le risque d’usure est important, et la fréquence ainsi que la difficulté des opérations de changement d’outils sont multipliées. La section du tunnel de l’île de Huandao du pont Xiamen-Jinmen (section de Xiamen) utilise un tunnelier de 16,15 mètres de diamètre, le plus grand du genre dans la province du Fujian. Le tunnel traverse des zones urbaines denses, avec des terrains composites alternant couches dures et molles sur de longues distances, la couverture la plus faible n’étant que de 8,1 mètres. Le risque d’usure des outils est donc élevé, et les méthodes traditionnelles de changement d’outils ne peuvent plus répondre aux exigences de sécurité et d’efficacité.

Quatre avancées technologiques majeures : du travail manuel à l’intelligence sans intervention humaine

L’équipe de recherche du China Railway 14th Bureau Group, partant de la mécanisation, de l’automatisation et de l’intelligence, a développé ce robot intelligent de changement d’outils pour tunnelier, doté d’une propriété intellectuelle entièrement indépendante, après six ans de recherche. Le matériel et le logiciel du robot sont 100 % fabriqués en Chine. À ce jour, 38 demandes de brevets d’invention, 5 demandes de modèles d’utilité et 7 droits d’auteur de logiciels ont été déposés.

Point fort n°1 : Bras manipulateur hybride à onze degrés de liberté – le bras le plus flexible de l’industrie

L’opération de changement d’outils sous pression se déroule derrière la tête de coupe, dans un espace extrêmement restreint. Pour permettre des mouvements agiles dans cet espace limité, l’équipe a conçu un bras manipulateur hybride à onze degrés de liberté, le plus flexible de l’industrie. Grâce à sa configuration rétractable et à ses capteurs d’évitement d’obstacles multi-sources, ce bras peut couvrir l’ensemble de la tête de coupe des tunneliers de 10 à 18 mètres de diamètre.

Point fort n°2 : Capacité de préhension de 500 kg – manipulation aisée des molettes lourdes de plus de 200 kg

Les outils du tunnelier sont en alliage, et de nombreuses molettes pèsent plus de 200 kg. L’équipe a associé un bras manipulateur lourd télescopique à plusieurs étages, résolvant les problèmes de stabilité en porte-à-faux. Grâce à des algorithmes optimisés, la capacité de charge de l’équipement a été portée à 500 kg, permettant de saisir facilement les molettes lourdes et de les remplacer avec précision.

Point fort n°3 : Localisation par vision infrarouge 3D – précision inférieure à 1 mm

Lors de l’utilisation d’un tunnelier à pression de boue, une grande quantité de boue remplit la chambre, rendant la vision traditionnelle inefficace pour l’automatisation. L’équipe a donc développé une technologie de localisation par vision infrarouge 3D, dotant le robot d’un « œil stéréoscopique » de haute précision, capable de scanner et d’identifier rapidement la position exacte et l’état d’usure de chaque outil dans des conditions complexes, avec une précision de localisation inférieure à 1 mm.

Point fort n°4 : Système de gestion intelligent par jumeau numérique – simulation préalable, intervention en cours, traçabilité postérieure

Dans l’environnement complexe du sous-sol, le contrôle humain seul présente encore de nombreux risques. L’équipe a mis en place un système de gestion intelligent par jumeau numérique, qui reçoit les données en temps réel et planifie automatiquement l’ordre optimal de changement d’outils et la trajectoire du bras manipulateur, réalisant ainsi une gestion intelligente de l’ensemble du processus : simulation préalable, intervention en cours et traçabilité postérieure.

Efficacité améliorée de plus de 50 %, véritable « absence d’intervention humaine dans la chambre »

Avec ces technologies, les performances pratiques du robot intelligent de changement d’outils sont impressionnantes :

Avec le robot intelligent de changement d’outils, associé au système de gestion intelligent par jumeau numérique du projet, le temps de remplacement d’une molette n’est plus que de 25 à 40 minutes, soit une amélioration de l’efficacité de plus de 50 %. Pendant tout le processus, aucune personne n’est nécessaire dans la chambre, réalisant ainsi une opération à effectif réduit, voire sans intervention humaine, et améliorant considérablement la sécurité intrinsèque de la construction par tunnelier.

Évaluation par des académiciens : « Niveau global de leader international »

Lors de la réunion d’évaluation des résultats clés de la technologie du robot intelligent de changement d’outils pour tunnelier de grand diamètre, organisée l’après-midi même par la China Highway and Transportation Society, le groupe d’évaluation composé d’académiciens de l’Académie chinoise d’ingénierie, dont Qian Qihu, Liang Wenhao, He Chuan et Xiao Mingqing, a unanimement déclaré : « Ces résultats de recherche représentent le plus haut niveau technologique de la Chine dans ce domaine, et le niveau global est celui d’un leader international. »

L’académicien Qian Qihu a hautement apprécié le développement de l’équipement, déclarant que le choix du robot de changement d’outils comme axe de recherche était « bien choisi et bien orienté », conforme à la tendance vers l’autonomie, l’absence d’intervention humaine et l’intelligence des équipements de transport, ouvrant une nouvelle voie en matière de sécurité, d’efficacité et de coûts.

Du pont Xiamen-Jinmen aux grands projets de tunneliers en Chine

Le premier champ d’application du robot intelligent de changement d’outils pour tunnelier est le tunnel de l’île de Huandao du pont Xiamen-Jinmen (section de Xiamen). Ce tunnel, d’une longueur totale de 3 291 mètres, est construit avec un tunnelier de 16,15 mètres de diamètre, le plus grand du genre dans la province du Fujian. Le robot a déjà été mis en service avec succès sur le tunnelier « Xiamen Hao » de 16 mètres, contribuant à une progression sûre et efficace du tunnel.

À l’avenir, cette technologie offre de vastes perspectives d’application :

Pour les projets de tunneliers de très grand diamètre dans des conditions géologiques complexes : avec l’évolution des projets de tunnels en Chine vers des conditions « ultra-profondes, ultra-longues et ultra-complexes », le risque d’usure des outils ne cesse d’augmenter. Le robot intelligent de changement d’outils offre une solution sûre et efficace pour les opérations de changement d’outils à haut risque et à haute fréquence.

Pour promouvoir le remplacement de l’homme par la machine dans les tunnels : les experts présents ont mené des discussions approfondies sur les scénarios futurs de construction de tunnels, en se concentrant sur des orientations telles que le « remplacement de l’homme par la machine », la réduction des effectifs et la construction intelligente sans intervention humaine. La mise en service réussie du robot intelligent de changement d’outils marque une avancée vers une construction de tunnels entièrement automatisée.

Pour stimuler la modernisation de la chaîne industrielle des équipements haut de gamme fabriqués en Chine : le matériel et le logiciel du robot sont 100 % fabriqués en Chine et dotés d’une propriété intellectuelle entièrement indépendante. Cela brise non seulement le monopole technologique étranger, mais jette également des bases solides pour le développement industriel des équipements de construction intelligente de tunnels en Chine.

De la dépendance aux ouvriers travaillant sous pression dans la chambre, transportant à mains nues des molettes de plus de 200 kg dans une boue étouffante, au bras manipulateur à onze degrés de liberté qui, sous la direction d’un système de jumeau numérique, identifie et remplace les outils de manière autonome – la mise en service réussie du premier robot intelligent de changement d’outils pour tunnelier lourd de Chine libère les hommes des environnements souterrains les plus dangereux, faisant entrer la construction de tunnels de grand diamètre dans une nouvelle ère de « changement d’outils sans intervention humaine ».

Il s’agit d’un saut historique de la « tactique de la masse humaine » à l’« intelligence sans intervention humaine », et d’une nouvelle étape importante dans l’autonomisation et l’intelligence des équipements de construction souterraine en Chine.