Récemment, à Wuhan, dans la province du Hubei, une machine géante en forme de « beignet de myrtille » est sortie lentement de la base de fabrication, marquant la mise en service officielle de la première machine de creusement et de forage au monde (Boring and Blasting Machine, abrégé BBM), développée conjointement par l’Université Tsinghua et China Railway Science & Industry (CRSCI), filiale de China Railway Industrial. C’est la première fois que les deux méthodes principales que sont la méthode du tunnelier et la méthode de forage et de minage sont fusionnées sur un même équipement, offrant une nouvelle solution technique pour la construction de longs tunnels dans des conditions géologiques complexes.
Deux méthodes difficiles à concilier, l’industrie réclame de nouveaux équipements
La Chine possède de vastes territoires montagneux. De nombreux grands projets d’infrastructure routière, ferroviaire, hydraulique, etc., sont implantés dans des régions montagneuses reculées. La construction de longs tunnels est souvent confrontée à des problèmes tels que les coups de terrain, les venues d’eau et de boue, les températures géothermiques élevées et les grandes déformations des roches encaissantes. À cela s’ajoutent des strates de dureté variable et des zones de failles broyées qui s’entrecroisent, ce qui représente un défi majeur pour l’organisation des travaux et le contrôle de la sécurité.
Depuis longtemps, l’industrie adopte principalement deux voies techniques matures : la méthode du tunnelier et la méthode de forage et de minage, chacune ayant ses avantages mais des domaines d’application bien délimités. Le tunnelier excelle dans le creusement continu en roche dure homogène et assure une stabilité de forme du tunnel, mais il s’adapte mal aux grandes déformations en roche tendre et aux terrains fracturés et aquifères. La méthode de forage et de minage offre une large gamme d’adaptabilité géologique, couvrant tous les types de roches, mais ses opérations sont fragmentées et la coordination avec le soutènement est insuffisante, ce qui la rend nettement moins efficace que le creusement mécanisé continu.
Dans les projets de longs tunnels aux conditions géologiques variables, l’alternance des équipements des deux types de technologies est devenue courante. Cependant, le démontage, le transport, la rotation des équipes de travail et la transition des procédés de construction engendrent à chaque fois des pertes de temps considérables, constituant un goulot d’étranglement invisible pour l’avancement des projets.
Alors que la construction d’infrastructures en Chine s’étend continuellement vers les zones montagneuses reculées et les profondeurs souterraines, un équipement intégré qui combine les avantages des deux méthodes et s’adapte à tous les types de terrains est devenu une direction d’innovation majeure et urgente pour l’industrie.
Briser les blocages, forger un équipement de poids « unifié »
Face à ce problème récurrent de l’industrie, l’Université Tsinghua, en collaboration avec China Railway Science & Industry, a réuni des expertises pluridisciplinaires dans les domaines des tunneliers à bouclier, du forage profond et du minage de précision pour une recherche conjointe. Or, « unifier » le creusement et le minage n’est pas un simple « 1+1 » ; il a d’abord fallu surmonter deux difficultés techniques majeures.
La première est le problème de l’équilibre des forces structurelles. Les tunneliers traditionnels utilisent une tête de coupe fermée sur toute la section, ce qui assure une répartition uniforme des forces et une stabilité de fonctionnement. Pour permettre les opérations de forage et de minage, il est impératif d’« ouvrir une lucarne » dans la tête de coupe – en concevant une structure de tête de coupe annulaire creuse – ce qui modifie directement le système de forces de la machine entière. Un déséquilibre des forces augmenterait l’usure des outils de coupe et menacerait directement la stabilité de l’équipement.
La deuxième est le problème de la protection contre les explosions. Les débris rocheux et les ondes de choc générés par le minage risquent fortement d’endommager les composants électroniques de précision et hydrauliques internes de la machine. Il est extrêmement difficile de concevoir un système de protection antidéflagrante fiable à l’intérieur d’un corps de machine fermé.
Face à ces deux défis majeurs, l’équipe de recherche et développement a mené des itérations d’optimisation structurelle par simulation et des tests de performance des composants, surmontant un à un les points de blocage techniques, pour finalement concrétiser la conception d’une tête de coupe combinée « centrale + annulaire ».
Cette tête de coupe creuse en forme de « beignet » est la structure centrale originale la plus emblématique de la machine de creusement et de forage. Grâce au fonctionnement coordonné de la tête de coupe creuse et de la tête de coupe centrale, la machine peut passer avec souplesse entre trois modes de fonctionnement : « minage à l’avant, creusement à l’arrière », « creusement à l’avant, minage à l’arrière » et « creusement en pleine section ». Elle combine les doubles avantages du prétraitement par forage et minage d’avance et de l’excavation mécanisée continue, brisant complètement les frontières d’application des méthodes traditionnelles.
« Par exemple, pour les terrains extrêmes tels que les fortes contraintes en profondeur ou les grandes déformations en roche tendre, la machine de creusement et de forage peut utiliser le passage creux central du “beignet” pour permettre l’accès du personnel et des équipements, et réaliser à l’avance, devant le front de taille, des opérations de prétraitement telles que l’injection de coulis de consolidation, le pré-fissuration et le soutènement d’urgence, évitant ainsi à la source les risques de sécurité tels que les effondrements de la roche encaissante et le blocage de la machine », explique Wang Chenghai, chef du projet de la machine de creusement et de forage chez China Railway Science & Industry.
Une puissance technique de pointe, cinq atouts majeurs en synergie
Outre la tête emblématique en forme de « beignet », Wang Chenghai précise que la machine de creusement et de forage est également équipée de plusieurs technologies originales, permettant la coordination de cinq composants principaux et la mise en place d’un système de construction intégré complet, formant un avantage technique de « une fusion, deux absorptions, trois uniformisations ».
Les couteaux latéraux rétractables agissent comme un « régulateur de forme » du tunnel : grâce à un algorithme d’agrandissement par cercles tangents, ils ajustent avec précision les dimensions de la section excavée, pouvant l’agrandir pour les grandes sections et la réduire pour les petites, améliorant ainsi l’efficacité de déplacement de l’équipement dans le tunnel. La jupe arrière télescopique adaptative est une « armure dynamique » épousant la roche encaissante : elle peut s’adapter à différents types de voussoirs et réaliser l’assemblage d’un revêtement à diamètre variable dans les sections sujettes aux coups de terrain et aux grandes déformations, garantissant la continuité et la stabilité de la structure de soutènement. Le dispositif antidéflagrant de la machine principale est le « casque de sécurité » de l’ensemble : spécialement conçu pour les opérations synchronisées de creusement et de minage, il amortit efficacement l’impact des explosions et protège la machine principale et ses composants de précision internes. Le système de convoyage à bande indépendant est une « ligne de tri » des matériaux : il transporte séparément les déblais d’excavation et les granulats autoproduits, optimisant la gestion des matériaux sur site et améliorant les bénéfices économiques et environnementaux.
« Une fusion » signifie la fusion de l’efficacité de creusement continu du TBM avec la large adaptabilité géologique de la méthode de forage et de minage, permettant de changer de mode de construction sans changer d’équipement, économisant ainsi le temps perdu lors des entrées et sorties d’équipement et des transitions de procédés. « Deux absorptions » signifie une double adaptation au terrain et à la section : la machine s’adapte aussi bien aux roches tendres qu’aux roches dures, et aux sections de toutes tailles, un seul équipement pouvant couvrir une multitude de conditions de tunnel. « Trois uniformisations » réalise l’intégration standardisée des méthodes de construction, des équipements matériels et des formes de soutènement par revêtement, du prétraitement en amont, à l’excavation, à l’évacuation des déblais, jusqu’au soutènement et à la régénération des granulats, l’ensemble du processus pouvant être réalisé de manière indépendante par une seule machine, simplifiant considérablement la configuration des équipements sur site, l’organisation du personnel et la gestion de la construction.
Les données d’essai montrent que, dans des conditions géologiques de roche très dure, après un pré-fissuration, l’efficacité de creusement de la machine peut être améliorée de 30 %. Pour des tunnels longs de plusieurs dizaines de kilomètres, cela signifie que la durée totale de construction peut être réduite de plusieurs mois, voire plus.
Aller toujours plus profond, passer de « l’utilisable » à « l’intelligent »
La mise en service de la première machine de creusement et de forage au monde brise les schémas de conception établis des équipements similaires nationaux et internationaux. L’ensemble de la machine et ses composants clés sont entièrement maîtrisés et autonomes, comblant le vide dans le domaine des équipements intégrés de construction de tunnels en géologie complexe et perfectionnant la chaîne industrielle chinoise des équipements haut de gamme pour les ouvrages souterrains.
Selon les informations, cet équipement sera tout d’abord déployé sur un projet de centrale de pompage-turbinage pour une application de démonstration. L’équipe de recherche et développement s’appuiera sur les données de mesure réelles sur site pour améliorer en continu ses performances par itérations, tout en poursuivant sa mise à niveau intelligente et fine, en intégrant des systèmes de reconnaissance intelligente de la roche encaissante, de prévision avancée des conditions de chantier et de creusement autonome et intelligent, afin de faire passer l’équipement d’un stade « utilisable et fonctionnel » à un stade « performant et intelligent ».
En tant que résultat d’innovation de rupture dans le domaine des équipements pour ouvrages souterrains, cette machine de creusement et de forage sera largement utilisée à l’avenir dans des secteurs clés tels que les projets de transport, les ouvrages hydrauliques et le développement des ressources en profondeur, améliorant continuellement le niveau de recherche, de développement et de fabrication indépendants des équipements chinois pour ouvrages souterrains, et favorisant la construction d’une nouvelle industrialisation et d’une puissance des transports grâce à l’innovation technologique des équipements.