Le tunnelier traverse rivières et mers. Les fraises sur la tête de coupe, telles des « dents », taillent continuellement la roche et la terre, s’usant très rapidement et nécessitant des remplacements fréquents. Pendant longtemps, le remplacement d’une fraise nécessitait trois ouvriers travaillant sous pression en cabine pendant plus de quatre heures, exposés à de multiples risques mortels tels que l’effondrement du sol, les venues d’eau et de sable, et la maladie de décompression. Aujourd’hui, cette situation est complètement révolue : le 25 juin, le premier robot lourd intelligent de changement de fraises de bouclier de Chine a été officiellement mis en service sur le tunnel de l’avenue Huandao du pont Xiamen-Kinmen (section de Xiamen), équipant le tunnelier « Xiamen-Kinmen ». Cela marque l’entrée de la construction de tunnels de grand diamètre en Chine dans une nouvelle ère de changement de fraises sans intervention humaine.
Un défi international : « difficulté et danger du changement de fraises »
Le tunnelier est un équipement national majeur pour traverser rivières et mers. Lors du creusement, les fraises sur la tête de coupe, comme des « dents », taillent continuellement la roche et la terre, s’usant très rapidement et nécessitant des remplacements fréquents. Cependant, les opérations traditionnelles de changement de fraises ont longtemps été confrontées à des défis sévères.
Le changement traditionnel nécessitait trois opérateurs travaillant sous pression en cabine, prenant plus de quatre heures. L’espace exigu, la faible luminosité, la chaleur humide et l’air vicié de la cabine rendent les déplacements difficiles pour les ouvriers, qui sont également exposés à de multiples risques de sécurité tels que l’instabilité du front de taille, les gaz nocifs et la maladie de décompression.
Le tunnel de l’avenue Huandao du pont Xiamen-Kinmen (section de Xiamen), long de 3291 mètres et d’un diamètre d’excavation de 16,15 mètres, est actuellement le tunnel de bouclier de plus grand diamètre de la province du Fujian. Il traverse des zones urbaines denses et des terrains composites meubles en surface et durs en profondeur sur de longues distances, avec une couverture minimale de seulement 8,1 mètres. Proche de la côte, la nappe phréatique est élevée, ce qui accélère l’usure des fraises. Le défi internationalement reconnu de « difficulté et danger du changement de fraises » y est encore amplifié.
Quatre technologies clés pour passer de l’intervention humaine à l’automatisation
Face à ces difficultés techniques, l’équipe technique du China Railway 14th Bureau Group, après des dizaines de discussions et de démonstrations ainsi que des projets de recherche à plusieurs niveaux, a développé un robot intelligent de changement de fraises en s’appuyant sur des technologies itératives telles que le changement de fraises à pression atmosphérique et le changement de fraises sous pression saturée. Cela représente la quatrième génération de la technologie de changement de fraises de bouclier. L’équipement a traversé les phases de développement itératif d’un prototype de principe et d’un prototype technique avant d’aboutir à une application pratique.
Bras manipulateur hybride à onze degrés de liberté, couvrant les têtes de coupe de bouclier de 10 à 18 mètres
Le robot intelligent de changement de fraises possède 11 articulations actives indépendamment contrôlables, offrant une excellente capacité d’évitement d’obstacles et une grande précision opérationnelle. Avec une capacité de charge de 500 kg et une configuration flexible et extensible, il peut couvrir l’ensemble de la tête de coupe des tunneliers de très grand diamètre de 10 à 18 mètres, saisir facilement les fraises lourdes et effectuer des remplacements précis.
Localisation par vision infrarouge 3D, précision inférieure à 1 millimètre
Dans des conditions complexes de faible luminosité et d’humidité en cabine, le robot utilise la technologie de localisation par vision infrarouge 3D, se dotant ainsi d’un « œil stéréoscopique » de haute précision. Il peut rapidement scanner et identifier la position exacte et l’état d’usure de chaque fraise, avec une précision de localisation inférieure à 1 millimètre.
Gestion intelligente par jumeau numérique, planification automatique du chemin optimal de changement de fraises
En fonction des informations de localisation des fraises, le système de gestion intelligente par jumeau numérique embarqué reçoit les données en temps réel et planifie automatiquement l’ordre optimal de changement et la trajectoire du bras manipulateur. L’ensemble du processus de changement de fraises est entièrement automatisé, de la décision à l’exécution.
Matériel et logiciel 100 % nationalisés, propriété intellectuelle entièrement indépendante
Le matériel et les logiciels du robot sont 100 % nationalisés, avec une propriété intellectuelle entièrement indépendante. À ce jour, 38 demandes de brevets d’invention, 5 demandes de modèles d’utilité et 7 enregistrements de droits d’auteur logiciels ont été déposés.
Efficacité de changement améliorée de plus de 50 %, élimination totale des risques de sécurité humaine
La mise en service du robot intelligent de changement de fraises apporte des avancées révolutionnaires sur deux plans :
Révolution d’efficacité : le temps de remplacement d’une fraise unique passe de plus de 4 heures à 25-40 minutes, avec une efficacité opérationnelle globale améliorée de plus de 50 %.
Révolution de sécurité : l’ensemble du processus ne nécessite plus d’intervention humaine dans la chambre sous pression du bouclier, éliminant ainsi à la source les risques de sécurité liés au changement de fraises sous pression et améliorant fondamentalement le niveau de sécurité intrinsèque de la construction des tunnels.
L’académicien de l’Académie chinoise d’ingénierie, Qian Qihu, a déclaré que le développement du robot intelligent de changement de fraises a obtenu des résultats en matière de sécurité, d’efficacité et de coûts, ouvrant une nouvelle voie pour le développement autonome, sans intervention humaine et intelligent des équipements de transport en Chine, et posant les bases d’une application industrielle. L’académicien de l’Académie chinoise d’ingénierie, Xiao Mingqing, a indiqué que China Railway Construction a développé la technologie du robot intelligent de changement de fraises pendant six ans, et sa mise en service réussie marque le passage du changement de fraises de bouclier d’une « opération avec intervention humaine » à une « opération sans intervention humaine ».
Du pont Xiamen-Kinmen aux projets nationaux de tunnels de très grand diamètre sous-marins
Actuellement, le robot intelligent de changement de fraises de bouclier a été installé et testé sur le tunnelier « Xiamen-Kinmen » de 16 mètres de diamètre, tous les paramètres de mouvement ayant été validés. Le 27 juin, le tunnelier « Xiamen-Kinmen » a commencé le creusement de la ligne gauche, et le robot intelligent de changement de fraises a été simultanément mis en service opérationnel.
Zheng Lianxiao, chef de section du projet du pont Xiamen-Kinmen (section de Xiamen) de Xiamen Road and Bridge Engineering Company, a déclaré que l’application du robot intelligent de changement de fraises fournit une garantie solide pour un creusement sûr et efficace du tunnel. L’équipe du projet soutiendra pleinement l’application technique de cette nouvelle technologie, afin de développer ensemble une solution de changement de fraises intelligente reproductible et généralisable, servant de modèle pour les projets nationaux de tunnels de très grand diamètre sous-marins.
Les perspectives d’application de cette avancée technologique sont vastes :
Construction de passages sous-marins : peut être largement appliquée dans les grands projets de passages sous-marins en cours en Chine pour la construction de tunnels de très grand diamètre ;
Tunnels urbains profonds : fournit une garantie de changement de fraises sûre et efficace pour la construction de boucliers dans des conditions géologiques complexes en zones urbaines centrales ;
Industrialisation des équipements intelligents : fournit un support d’équipement clé pour la mise à niveau intelligente de toute la chaîne de construction de tunnels de bouclier, accélérant la progression des équipements de transport chinois vers l’autonomie, l’absence d’intervention humaine et l’intelligence.
De l’« intervention humaine » à l’« absence d’intervention humaine », de « 4 heures » à « 25 minutes », du « travail sous pression humaine » à « l’absence totale d’intervention humaine » — ce robot « médecin » doté d’un bras manipulateur à onze degrés de liberté, d’une vision infrarouge 3D et d’un cerveau à jumeau numérique redéfinit les normes de sécurité et d’efficacité de la construction de tunnels en Chine.