Les décanteurs centrifuges améliorent les opérations de microtunnelage

Dans le microtunnelier, tout tourne autour de la boue

Selon Ben Truschel, responsable de l’équipement chez Bradshaw Construction Corporation, il est généralement peu courant de considérer l’utilisation d’une centrifugeuse Flottweg dans le cadre d’un projet de construction civile de microtunnels. « Lorsqu’on évoque les centrifugeuses Flottweg, on pense à l’exploitation minière, aux produits chimiques, aux eaux usées et à d’autres industries », explique M. Truschel. « On ne pense pas automatiquement à des projets de tunnelage. Dans le cadre du microtunnelage, la boue est l’élément central du processus, elle est omniprésente à chaque étape. »

Cependant, lors de ses déplacements en Europe et au Moyen-Orient, Truschel a appris qu’un projet de microtunnelage à Doha, au Qatar, utilisait avec succès des décanteurs centrifuges Flottweg. Le projet a été annulé, et l’équipement était disponible à un prix réduit. C’est à ce moment-là que Truschel a décidé de se tourner vers un autre fournisseur d’équipements dans son domaine d’expertise. « Outre le prix, ce qui rendait l’offre de Flottweg attractive, c’est qu’ils fournissaient un kit complet pour ce projet spécifique. Il comprenait un panneau de commande, la pompe d’alimentation, et la tuyauterie. Un vrai système complet. Recevoir une offre aussi détaillée et complète est une exception. L’homme avec qui je travaillais était allemand et il appelait Flottweg « La Mercedes des centrifugeuses. »

Truschel a été particulièrement séduit par le fait que la gamme de Flottweg était entièrement dédiée aux centrifugeuses et que les technologies de séparation constituaient leur cœur de métier. Il a choisi d’utiliser l’équipement en l’associant à des machines polymères de ClearWater Industries, un fabricant basé dans le Wisconsin, spécialisé dans les équipements de clarification de l’eau et les systèmes de préparation chimique. « Nous avons fusionné les équipements des deux entreprises dans un package modulaire », explique-t-il. « Je pense que c’était sans doute la première fois que cela se produisait. L’alliance des technologies de deux entreprises hautement spécialisées telles que Flottweg et ClearWater était parfaitement logique pour nos projets de construction de microtunnels, qui est notre compétence principale. »

Le processus de microtunnelage

Considéré comme le « tunnelage de l’ère numérique », le microtunnelage repose sur un système de pose de tuyaux à distance de dernière génération, contrôlé par une combinaison de PLC, HMI et un opérateur sur site. L’opérateur en surface pilote le système de microtunnelage à l’aide d’un ordinateur, permettant d’avancer et de diriger la machine de forage, de réaliser le poussage des conduites et d’excaver les sols. Environ 90 % de l’activité de Bradshaw Construction Corporation se concentre sur le microtunnelage, principalement pour des projets d’approvisionnement ou d’assainissement en eau. Les tunnels, principalement créés pour les infrastructures futures, varient de 20 à 120 pouces de diamètre.

Le système de propulsion de la machine de microtunnelage s’effectue au moyen d’une boue aqueuse, de manière similaire à la méthode employée par les compagnies pétrolières pour le forage vertical lors de l’extraction de pétrole ou de gaz. Bradshaw utilise un fluide de forage similaire dans son processus de tunnelage, en adoptant une méthode de circulation inverse, contrairement à la circulation directe couramment utilisée dans l’industrie du forage horizontal directionnel (HDD). « Nous devons séparer le liquide final et le matériau excavé du fluide de forage. C’est là que Flottweg intervient », explique Truschel. « L’agrégat, en tant que matière solide, représente le produit final dans l’industrie minière ou des agrégats. Le matériau est extrait et doit souvent subir un nettoyage, ce qui entraîne une consommation d’eau importante. L’eau se contamine, nécessitant ensuite un traitement en vue de son rejet ou pour des raisons environnementales.

« Dans notre secteur, c’est l’inverse. La boue est le produit final. Notre but est simple : nous souhaitons dégager le sol pour pouvoir installer notre tunnel. Le défi pour nous est que le sol est souvent de composition irrégulière. Il peut être constitué de sable, de limon, d’argile, de roche dure, de roche fragile, ou de matières mixtes » Bradshaw Construction est chargé d’excaver ce sol, de garantir sa stabilité et de transporter les déblais. Étant donné que les machines de microtunnelage utilisent la boue pour le transport, les solides doivent être séparés du liquide.

« Notre produit, c’est vraiment la boue », continue-t-il. « C’est notre fluide de forage. Nous voulons optimiser le fluide de forage pour le rendre le plus adapté possible au processus d’excavation du tunnel. » Presque tous les projets de Bradshaw concernent des constructions neuves, et l’entreprise compte plus de 30 ans d’expérience. Au fil des années, ils ont expérimenté différents types d’équipements de séparation.

La première étape de la séparation consiste à séparer les déblais qui sortent directement de la machine. Les déblais sont généralement acheminés vers l’usine via une conduite de boue de 4, 5 ou 6 pouces, en fonction de la taille de la machine. Plus la machine est grande, plus la conduite de boue l’est également. Cette alimentation en boue contient généralement au moins 30 % de matières solides. La taille du matériau peut varier de 5 microns à des agrégats de 3 pouces. Les argiles et les limons ont généralement une taille inférieure à 74 microns. « Lorsque nous réalisons les travaux d’excavation, la boue de déblais non traitée passe d’abord par une usine de séparation, équipée d’un tamisage primaire qui élimine tous les gros agrégats. », précise Truschel. « Il ne reste plus que du sable et de l’alumine. Une fois le tamisage primaire effectué, les matériaux sont récupérés à l’aide d’une pompe centrifuge à boue, puis envoyés à travers une série d’hydrocyclones vers un tamis de dé-sablage. Il s’agit d’une seconde phase : le deuxième tamis est destiné à éliminer tout le sable. »

Après un nettoyage approfondi effectué par l’équipement de séparation, les matériaux restants se composent principalement de limon et d’argile, des particules fines généralement inférieures à 74 microns. « La seule façon d’éliminer les particules fines inférieures à 74 microns dans la boue est de les traiter avec de petits hydrocyclones à filtration fine, puis de les envoyer dans une centrifugeuse », explique Truschel. En combinant les technologies Flottweg et ClearWater, Bradshaw a conçu une série d’unités modulaires qui utilisent un décanteur centrifuge, comprenant deux modèles de Flottweg (Z4E et Z5E). Ils utilisent ce système depuis 2019 et en ont quatre en fonctionnement.

Le procédé de séparation

Les centrifugeuses de la série Z de Flottweg présentent un design modulaire, ce qui permet de les adapter à des applications spécifiques. Lorsque des mélanges solide/liquide contenant une forte proportion de solides doivent être séparés, les décanteurs centrifuges fonctionnent en continu en utilisant des forces centrifuges élevées pour séparer les particules solides finement dispersées en suspension. L’accélération centrifuge permet de séparer la phase solide et un ou deux liquides les uns des autres. Étant donné que le sédiment (phase solide) a une densité plus élevée, il s’accumule sur la paroi du bol. La vis convoyeur déplace le solide en continu vers les orifices de sortie. Là ou les phases liquides s’écoulent le long de la vis convoyeur.

Un décanteur peut être considéré comme une cuve de sédimentation enroulée autour d’un axe. Dans la cuve de sédimentation, les particules solides, plus lourdes que le liquide, se déposent au fond par gravité et forment un sédiment (phase solide) au fond de cette dernière. Les phases liquide et solide sont séparées par l’accélération centrifuge. Dans le bol rotatif de la centrifugeuse, les particules solides, ayant une densité plus élevée et étant donc plus lourdes que le liquide, se déplacent vers l’extérieur sous l’effet de la force centrifuge. Le sédiment se forme sur la paroi intérieure du bol de la centrifugeuse. Dans la mesure où des forces centrifuges d’environ 3 000 g sont exercées dans une centrifugeuse, contre seulement 1 g dans un champ gravitationnel, la séparation des particules solides du liquide est beaucoup plus rapide et plus efficace.

Avantages de l’utilisation de la technique de centrifugation pour le microtunnelage

Mesurer les résultats est essentiel sur un chantier de construction civile, explique Truschel. « Si vous arrivez sur un chantier et que vous constatez que l’effluent sortant de la centrifugeuse est d’une pureté cristalline, vous savez que vous avez atteint le meilleur résultat possible », poursuit-il. Ainsi, même si l’utilisation d’une centrifugeuse Flottweg pour un projet de microtunnelage n’est pas courante, les résultats sont incontestables. »

Truschel souligne les avantages évidents du système qu’il a conçu en utilisant les équipements Flottweg.

1. Des machines de haute qualité qui produisent des effluents clairs avec un minimum de temps d’arrêt. « Il s’agit d’unités mobiles qui se déplacent beaucoup. Il est vraiment difficile d’estimer le nombre d’heures de fonctionnement par rapport au temps d’arrêt, mais je dirais que le temps d’arrêt représente probablement moins de 1 % par rapport aux heures de fonctionnement réelles. », explique Truschel. « Si vous faites fonctionner l’unité pendant 100 heures d’affilée, le temps d’arrêt sera inférieur à une heure. »

2. Assistance en termes de disponibilité des pièces et de service client.

3. Personnalisation. « De nombreux autres fournisseurs proposent une centrifugeuse et un panneau de commande, mais c’est à vous de vous débrouiller pour le reste ». « Flottweg nous a beaucoup aidés en concevant des équipements sur mesure, lesquels offrent également beaucoup de flexibilité »

4. Performance. « L’essentiel est que l’équipement soit performant », explique-t-il. « L’objectif est d’éliminer les solides du liquide. Il est essentiel de pouvoir éliminer suffisamment de solides pour obtenir un effluent clair. »

Dans le cadre du processus de microtunnelage, l’eau propre est recyclée dans le réservoir de fluide de forage. « À la fin du projet, lorsque le tunnel est terminé, nous récupérons tout ce fluide de forage. Mais nous ne pouvons pas le déverser simplement dans la nature », explique Truschel. « Grâce à la centrifugeuse de qualité de Flottweg et une unité de floculation de ClearWater performante, nous arrivons à éliminer 99 % des solides du fluide de forage. Nous pouvons le déverser dans un dispositif de filtration, puis, directement, le refouler dans un réseau pluvial. » Cela génère également une baisse importante des coûts d’élimination.