Les effets du mouvement du sol sur les escaliers mécaniques

Le rôle des escaliers mécaniques dans les grands réseaux de transport tels que le métro de Londres est discuté.

Le métro de Londres (LU) transporte environ 3.5 millions de passagers par jour. Certaines stations du réseau nécessitent un bon fonctionnement pour un fonctionnement optimal de l'ensemble du réseau. L'emplacement d'une gare, le flux de passagers et les connexions locales (à la fois au sein du réseau de métro et plus largement avec les réseaux de transport externes) déterminent l'impact que son fonctionnement est susceptible d'avoir sur l'efficacité du réseau dans son ensemble.

La fermeture ou la distribution dans une station pourrait entraîner une surcharge importante sur les stations voisines et les liaisons de transport externes. Ainsi, le fonctionnement continu et la disponibilité de toutes les stations clés est un objectif crucial dans le maintien d'un réseau opérationnel. Les escaliers mécaniques jouent un rôle essentiel dans le transport des passagers entre les tunnels ferroviaires et les quais, les quais et les halls de billetterie, et vers et depuis les sorties et les entrées.

LU est actuellement en cours de réaménagement à la station Tottenham Court Road (TCR). Les travaux comprennent la construction d'une nouvelle billetterie, de trois cages d'ascenseur, d'un accès à Crossrail et de diverses installations commerciales et connexes. En raison de la demande des clients et de l'emplacement, il est nécessaire de maintenir la gare en fonctionnement pendant les travaux de réaménagement, en perturbant le moins possible le flux de passagers. Par conséquent, tous les escaliers mécaniques de la gare devront rester en service.

En conséquence de la modernisation de la gare et du développement de Crossrail, il y aura d'importantes excavations autour du caisson structurel de la gare existante, dans certaines zones jusqu'à une profondeur de 24 m. L'excavation autour du caisson structurel de la gare peut provoquer le déplacement physique des fermes des escaliers mécaniques dans les tunnels. Un mouvement dans la charpente d'un escalier mécanique pourrait avoir un impact sur sa sécurité de fonctionnement et sa disponibilité pour l'utilisation. Sans escalators fonctionnels, la station pourrait être forcée de fermer.

Des études géotechniques ont confirmé que les travaux d'excavation provoqueront un mouvement physique dans la structure de certains tunnels et escaliers mécaniques. L'impact variera en fonction de l'emplacement de chaque escalier mécanique par rapport à l'excavation. Ce mouvement peut avoir un effet significatif sur la sécurité de fonctionnement et la disponibilité des escaliers mécaniques, comme expliqué précédemment.

La sécurité des passagers avant tout

Dans le cadre du projet, LU et Tube Lines Lifts and Escalators Services, filiale à XNUMX % de Transport for London chargée de l'entretien et de la modernisation de certaines parties du LU, se sont lancés dans la conception d'une méthode de réglage des escaliers mécaniques en trois dimensions (système de levage) et installer un système de surveillance sur les escaliers mécaniques. Ce système viendra compléter le système LU, qui a été installé pour surveiller le mouvement dans les tunnels, les voies et les plates-formes. L'objectif du système de surveillance des escaliers mécaniques est d'aider à maintenir la disponibilité des escaliers mécaniques, d'assurer l'intégrité de la structure de la gare et de garantir la sécurité des passagers utilisant les escaliers mécaniques pendant le processus de construction.

Le système de surveillance des lignes de tube est capable d'enregistrer des lectures en temps réel et, installé avant le début des activités d'excavation, de déterminer les lignes de base opérationnelles normales. Ceci est avantageux, car l'identification des écarts en temps réel par rapport à ces lignes de base permet au système de servir de mécanisme d'alerte précoce si des mouvements se produisent. Les tendances peuvent être utilisées pour déterminer et prévoir les problèmes structurels et mécaniques potentiels avant qu'ils ne constituent une menace pour la sécurité et l'exploitation.

Le système se compose de différents types de capteurs, tels qu'un potentiomètre de chaîne, des jauges de contrainte, des capteurs de proximité, des cellules de charge et des capteurs de déplacement, tous installés à divers endroits dans les machines (par exemple, treillis et peigne). L'emplacement de chaque capteur a été déterminé à l'aide de simulations approfondies de l'analyse par éléments finis (FEA). Des scénarios de mouvement dérivés des études géotechniques ont été entrés dans la simulation FEA, et à partir de cette analyse, les pires scénarios ont été prévus par rapport à l'échelle de temps du projet. Les niveaux d'alarme critiques ont été calculés à partir des prévisions fournissant les limites de mouvement sûres autorisées pour un escalator opérationnel. Les capteurs sont connectés à un système électronique, qui communique avec un système matériel de stockage via Internet. Un logiciel sur mesure a été écrit pour visualiser, tracer et déclencher des alarmes en temps réel.

Les vérins de réglage ont été installés aux nœuds de support des escaliers mécaniques 3 et 5, car ces escaliers mécaniques sont les plus critiques pour maintenir le fonctionnement de la station. Le système de levage permet d'ajuster les deux escaliers mécaniques pour contrer le mouvement du sol, restant ainsi en fonctionnement sûr. Le régime de surveillance et tout levage d'escalator est supervisé par un groupe d'experts d'ingénierie qui décide, sur la base des informations de surveillance, de toute contre-action, de levage, en suivant les procédures définies et les déclarations de méthode.

Tube Lines a établi la marque pour l'un des premiers systèmes de surveillance d'escaliers mécaniques, réglé et connecté aux mouvements de terrain environnants. Un tel système présente divers avantages en termes de sécurité des passagers et de préservation de l'intégrité de la structure des escaliers mécaniques. Les principes et la méthodologie du système peuvent être utilisés pour tout développement similaire dans le réseau. Les données obtenues grâce au projet peuvent être transmises aux industries alliées intéressées par la simulation. Les données et les tendances peuvent être utiles aux ingénieurs et aux scientifiques de diverses disciplines.

Stratégie et méthodologie

En raison des travaux de modernisation et de réaménagement du TCR (figure 1), la protection de la station souterraine existante et de ses escaliers mécaniques a été une priorité pour Tube Lines. Ce qui suit examinera le concept de base de la surveillance des escaliers mécaniques et expliquera la logique de la distribution des capteurs des escaliers mécaniques. La méthodologie, qui a été utilisée pour protéger les escaliers mécaniques au TCR, suit ces étapes :

• Mener une géo-analyse
• Détecter les mouvements dans les tunnels
• Simulation et modélisation mathématique
• Détection des mouvements dans les supports, des jeux et des lacunes critiques et des données en direct

Mener une géo-analyse

Tube Lines a mandaté Geotechnical Consulting Group (GCG) pour mener une étude afin d'analyser l'impact des travaux d'excavation sur les structures à l'intérieur et autour de la station. GCG a étudié la nature et le type de couches de sol et vérifié leurs densités. Tube Lines a calculé et prédit des ensembles de scénarios de mouvement en fonction des quantités de sols retirés du site. Un logiciel de code aux éléments finis a été utilisé pour l'analyse des problèmes d'interaction sol-structure sur un certain nombre d'années. Les analyses entreprises pour cette évaluation comprenaient une série d'analyses de déformations planes 2D et une analyse 3D. Les analyses 2D ont modélisé l'infrastructure existante, l'excavation des nouvelles structures et les nouveaux tunnels.

Détecter les mouvements dans les tunnels

Des capteurs laser avec des cibles ont été distribués le long et à travers les tunnels des escaliers mécaniques et des trains. Des compteurs à électro-inclinaison ont été distribués le long des tunnels des escalators. Les capteurs laser et les inclinomètres mesurent les descentes, les montées et les torsions dans le tunnel.

Simulation et modélisation mathématique

Les fermes de trois escaliers mécaniques ont été modélisées en 3D à l'aide du logiciel de simulation Solidwork (Figure 2). Le mouvement total prévu par l'étude géotechnique à chaque support dans la ferme des escaliers mécaniques a été divisé en 10 incréments. Les 10 étapes incrémentielles ont été intégrées au modèle 3D de chaque escalier mécanique sous forme de 10 scénarios de mouvement. Les résultats pour chaque scénario ont été produits sous forme de déflexion – distributions de contraintes et de déformations le long de la longueur et de la largeur de l'escalier mécanique (figures 3 et 4).

Les relations entre les résultats de la simulation et les données introduites dans le modèle (comme les déplacements) ont été corrélées et exprimées dans des formules mathématiques, qui ont été utilisées pour tracer des graphiques entre les paramètres. Le comportement de chaque paramètre a été tracé par rapport à une échelle de temps pour vérifier l'impact à long terme des mouvements (Figure 5). Les graphiques ont été extrapolés à une échelle à long terme pour prédire les pires scénarios de mouvement des escaliers mécaniques. Les résultats de l'étude de simulation ont conclu que les mouvements dans le sol entraîneront la création d'emplacements critiques (baies) dans la ferme. Les baies doivent être surveillées pendant le mouvement.

Répartition des capteurs

Détection des mouvements dans les supports

Les mouvements dans les fondations le long et la largeur de l'escalier mécanique varient d'un endroit à l'autre. Ils soumettent les fermes à des déflexions physiques, ce qui génère des contraintes dans les éléments individuels de la ferme (figures 6-8). Les niveaux de ces contraintes peuvent atteindre un niveau égal ou supérieur au seuil de fatigue du matériau de la ferme. Les mouvements dans les supports de l'escalier roulant dépendent de la profondeur et de la taille de l'excavation, qui est réalisée à côté du tunnel de l'escalier roulant. Ces mouvements peuvent provoquer une bosse ou un enfoncement dans la ferme (figures 9 et 10). Ces changements peuvent être progressifs ou soudains le long de l'escalier roulant. Un mouvement latéral progressif sur toute la largeur de l'escalier mécanique provoque l'inclinaison latérale de la ferme et des assemblages intérieurs.

Le rapport d'étude géotechnique sur les mouvements de terrain suggère que la plupart des mouvements se produiront près du tunnel, qui contient les escaliers mécaniques 3 à 5 (figure 1). En conséquence, ces escaliers mécaniques ont été équipés de capteurs pour surveiller leurs structures et leurs performances. Pour s'assurer que la gare reste ouverte aux passagers, au moins deux des trois escaliers mécaniques sont restés en service, avec un escalier mécanique dans chaque sens. (Dans un cas extrême, la station peut rester ouverte lorsqu'il n'y a qu'un seul escalier roulant en marche, tant qu'il est dans le sens montant.)

Afin de garantir l'intégrité structurale d'au moins deux escaliers mécaniques (3 et 5), des vérins hydrauliques ont été installés après modification des supports verticaux dans la ferme (Figure 11). Les vérins sont capables d'un mouvement vertical de 25 mm. L'idée était d'utiliser ce mouvement pour s'adapter à tout mouvement du sol. Une cellule de charge a été installée dans chaque vérin pour surveiller la force verticale à chaque pied de support. Les appuis verticaux du palier inférieur et le long de la rampe étant modifiés en les désolidarisant de leurs plinthes et en installant des vérins entre chacun, les contraintes résiduelles ont été ignorées. Cela signifie que toutes les contraintes dans la ferme ont commencé à partir de zéro. Des jauges de contrainte (figure 12) ont été montées dans ou à proximité des baies critiques pour surveiller les niveaux de contrainte (pendant la phase de reconstruction et lorsque les escaliers mécaniques étaient pleinement opérationnels).

Détection des jeux critiques et des lacunes dans les escaliers mécaniques

Les espaces et les dégagements les plus critiques pour la sécurité dans tout escalier mécanique sont ceux entre les sections de peigne et la bande de marche. Ces jeux doivent être maintenus à 4-6 mm. Des plaques de marche sont boulonnées au-dessus de chaque marche de la bande de marche. Ces plaques ont des tasseaux qui permettent à la marche de passer à travers les sections de peigne dans les paliers supérieur et inférieur. Un mouvement du sol dans les fondations pourrait compromettre le dégagement entre les sections de peigne et les marches, entraînant un danger important pour les passagers. Une collision entre la bande de marche et les sections de peigne peut avoir de graves conséquences sur l'intégrité structurelle de l'escalier roulant, car elle pourrait affecter de nombreux composants et assemblages critiques à l'intérieur de l'escalier roulant. 

Des capteurs en pot à fil ont été utilisés (Figure 13) pour surveiller les mouvements verticaux et horizontaux dans les sections de peigne. Le corps du capteur a été placé sur le sol ou sur le côté du tunnel, tandis que l'extrémité de la corde était connectée aux sections de peigne. Un « pas intelligent » a été incorporé dans la bande de pas. Le marchepied mesure les déformations, les déflexions et les contraintes que la bande de marches pourrait supporter pendant le fonctionnement. Il peut contrôler indirectement si les autorisations ont été compromises.

Détection de données en direct

Un logiciel et un matériel sur mesure ont été conçus par Arcadis et commandés à Tube Lines (Figure 14). Le système est capable d'enregistrer, de stocker et de surveiller les données, et fournit des données de sortie en temps réel détaillant les niveaux de mouvement à différents endroits de l'escalier roulant. Le système assure également un réglage rapide, contrôlable et précis (si nécessaire) pendant les périodes de mouvement au sol. Les données collectées ont aidé à former la philosophie et la méthode de levage pour ajuster la structure de l'escalator. Les sorties des capteurs ont calibré des valeurs, avec un courant variable, mesurées à l'aide d'une unité de terminal à distance (RTU) Fastflex de Siemens. Il est possible pour le RTU de s'interfacer avec un ordinateur via un commutateur réseau et un équipement de communication pour permettre la surveillance à partir d'un emplacement distant, tel qu'un bureau.

Conclusions

Des systèmes de surveillance des escaliers mécaniques ont été installés pour atténuer les risques commerciaux, de sécurité et techniques. Ils peuvent avoir des implications commerciales en rationalisant les calendriers de maintenance pour faire fonctionner de manière efficace et efficiente des machines telles que les escaliers mécaniques. Les systèmes peuvent également surveiller l'impact des mouvements de terrain s'il y a des travaux d'excavation ou de construction à côté des escaliers mécaniques. Les systèmes de surveillance peuvent jouer un rôle important pour garantir la sécurité des escaliers mécaniques. Ils peuvent également être utilisés pour la R&D afin d'explorer les comportements et la géométrie des fermes d'escaliers mécaniques et de leurs sous-ensembles mécaniques.

Le système de surveillance, qui a été déployé au TCR, est complet, garantissant que le fonctionnement des escaliers mécaniques dans les conditions normales et les mouvements au sol est sûr. Le système se compose de capteurs connectés aux supports de la ferme sous forme de cellules de charge. Les cellules de charge sont intégrées dans des vérins hydrauliques, utilisés pour ajuster la ferme et compenser les mouvements du sol. Une cellule de charge est incorporée dans chaque vérin. Les cellules de charge mesurent les valeurs des forces de réaction dans les fondations de l'escalier mécanique lorsque le mouvement du sol se produit.

Les jeux critiques tels que l'espace entre la section du peigne et la bande de marche sont surveillés à l'aide d'un potentiomètre à corde et d'une marche intelligente. Le potentiomètre à cordes mesure les jeux en millimètres, tandis que le pas intelligent mesure les contraintes et les déformations dans la bande de pas. Les données sont collectées et consultées à l'aide d'un logiciel sur mesure. Une visionneuse d'interface Windows est utilisée pour surveiller les données en direct des capteurs et permet à l'utilisateur de télécharger des données historiques. Un prochain article sur ce sujet fera la lumière sur le type, le style et la cohérence des données enregistrées dans le système. Il fournira également un aperçu de la configuration des courbes et des relations entre les différentes sorties des capteurs par rapport au mouvement du sol. Le prochain article de votre auteur montrera les données des capteurs en temps réel. Par conséquent, il montrera les relations entre les paramètres mesurés.

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