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TUNNELS

Les premiers souterrains artificiels ont été construits pour capter ou conduire l’eau nécessaire aux besoins des hommes. Dans l’île de Samos, au VI^e siècle avant J.-C., un tunnel fut ainsi creusé dans le calcaire par l’architecte grec Eupalinos. Il est long de 1 265 mètres, et sa section est de 1,75 m 憐 1,75 m.

De nos jours, on construit en souterrain pour de multiples raisons, techniques ou économiques. De plus, le sous-sol est un espace presque partout disponible, hormis dans le centre dense des grandes agglomérations. Enfin, tout ce qui est en souterrain est isolé de la surface, donc invisible et protégé, et l’aspect esthétique ou la sécurité peuvent conduire à rechercher la discrétion vis-à-vis de l’extérieur.

Utiliser le sous-sol procure souvent des avantages économiques chiffrables. Ils sont d’autant plus élevés que l’on s’implante dans des terrains favorables. En effet, le coût du mètre cube excavé varie dans une fourchette de un à dix, en fonction principalement de la nature du terrain.

La construction de tunnels obéit à des impératifs précis. Il est notamment très difficile, dans les terrains perméables aquifères, de modifier les dimensions d’une cavité souterraine existante. En outre, au cours du creusement même, les massifs rocheux les plus favorables subissent une dégradation de leurs propriétés et une augmentation de leurs sollicitations au voisinage de l’excavation. Cela entraîne deux conséquences importantes:

– le caractère irréversible des décisions prises pour utiliser le sous-sol, d’où l’utilité d’une politique d’aménagement;

– la nécessité d’avoir fait un inventaire exhaustif des besoins, en vue de fixer les dimensions définitives des cavités souterraines dès les premières phases de l’étude.

Historique

Dans l’Antiquité, les galeries étaient le plus souvent creusées à partir de puits espacés de 30 à 40 mètres, ce qui permettait de multiplier les ateliers. Ce procédé de construction a été employé en Iran pour les qan t, appelées dans le Sud algérien foggaras, qui sont des galeries destinées à drainer et à recueillir les eaux souterraines au pied des montagnes.

Les Anciens ont construit des ouvrages jugés encore remarquables. En 297 avant J.-C., les Romains creusèrent un tunnel de 2 234 mètres de longueur pour contrôler le niveau du lac Albano. L’empereur Claude tenta d’assécher le lac Fucino pour le rendre à la culture au moyen d’un tunnel de près de 6 000 mètres. Poursuivis en vain par Trajan et Hadrien, ces travaux furent achevés entre 1854 et 1875 par le banquier A. Torlonia.

Au début de notre ère, la ville de Lyon était alimentée en eau par des aqueducs, dont deux, ceux de la Brévenne et du mont d’Or, furent creusés dans le rocher. Entre 130 et 140 après J.-C., un tunnel de près de 23 kilomètres, entièrement maçonné, fut construit pour alimenter Athènes en eau. Dans la région de Cumes, près de Naples, subsistent de nombreux souterrains: les plus anciens sont d’époque grecque, comme l’antre de la Sibylle, d’autres, d’époque romaine; ils servaient au stockage. Pour en faire un port militaire, les Romains mirent le lac Lucrino en communication avec la mer. Ils construisirent, en 37 après J.-C., un tunnel routier de 900 mètres de longueur entre Pouzzoles et le Pausilippe.

Ce n’est qu’au XIX^e siècle que les tunnels retrouvèrent un grand développement, grâce aux chemins de fer qui n’admettent pas de rampes supérieures à 3,5 p. 100. De nos jours, l’utilisation du sous-sol s’est diversifiée, entraînant un développement rapide des tunnels et autres ouvrages souterrains dans les pays industrialisés.

Définitions

Dans le langage courant, le mot tunnel désigne un ouvrage linéaire souterrain ouvert à la circulation, le plus souvent ferroviaire ou routière. Le mot galerie est employé de préférence pour les ouvrages hydrauliques (adductions d’eau, égouts), pour des ouvrages de petite section (galeries de reconnaissance), d’accès ou de service (passages de câbles). Un ouvrage souterrain utilisé seulement par les piétons sera un passage souterrain .

On désigne par ouvrages souterrains des espaces fermés situés sous la surface du sol. Ils peuvent avoir été construits soit en souterrains, soit à l’air libre puis recouverts de remblais (tranchées couvertes). Leur utilisation est très diverse: usines électriques, parcs à voitures, entrepôts, abris à usages multiples, stockage de fluides ou de déchets radioactifs, etc.

Les puits sont des excavations profondes, verticales, relativement étroites. En dessous d’une inclinaison telle qu’elle permette la circulation de véhicules ou de personnel à pied, on utilise, pour les puits inclinés, le terme de descenderie .

Utilisations de l’espace souterrain

Des tracés en tunnel se sont imposés depuis longtemps pour permettre aux voies de communication de franchir les reliefs, comme les grands tunnels ferroviaires à travers les Alpes à la fin du XIX^e siècle. Le tracé de voies de communications à grande vitesse fait appel aux tunnels dans les zones difficiles, pour permettre de réaliser les courbes minimales. Les avantages économiques sont évidents quand l’itinéraire est raccourci, permettant ainsi des gains sur le temps et les frais de transport. La suppression des dénivellations coûteuses pour le transport des marchandises lourdes, l’absence de conditions hivernales, la protection contre les risques d’avalanches ou de chutes de pierres sont également à porter au crédit des tunnels.

En ville, le passage en souterrain du trafic permet de supprimer localement des nuisances (bruit, pollution) et l’effet de coupure, et libère la surface pour d’autres utilisations. Dans l’aménagement de quartiers neufs, la conquête de l’espace souterrain affranchit la surface au profit des piétons, par l’utilisation en profondeur de plusieurs niveaux, soit pour les circulations en séparant les trafics, soit pour des parcs de stationnement, et facilite la création de galeries pour regrouper les canalisations des services publics (exemple de l’aménagement du quartier d’affaires de la Défense, à l’ouest de Paris).

L’utilisation du sous-sol est également motivée par les besoins de protection contre une agression armée (constitution de stocks, abris, centres de commandement et de transmission, etc., qui peuvent, en temps de paix, être gérés pour d’autres usages).

Le sol constitue, à la longue, un isolant thermique. Des installations consommatrices d’énergie, telles que dépôts d’aliments surgelés, stations d’épuration d’eaux usées, piscines, etc., comme cela est pratiqué dans les pays scandinaves, peuvent y trouver des conditions économiques de réalisation.

Le stockage d’hydrocarbures en caverne artificielle, ou réutilisée, bénéficie des deux aspects précédents (stockage en cavité minée de Lavéra, stockage dans la mine abandonnée de May-sur-Orne).

L’enfouissement de déchets radioactifs en sous-sol, dans des cavernes susceptibles de rester en l’état plusieurs centaines d’années, est une solution envisagée par les pays producteurs ou utilisateurs de combustible nucléaire.

Pour réaliser économiquement des conduites forcées à haute pression ou des usines hydroélectriques, on met à contribution les propriétés mécaniques des roches.

Phases de la construction des ouvrages souterrains

C’est la stabilité du terrain pendant la construction qui impose le choix des procédés de construction. Deux situations se présentent:

– Au cours du creusement, les variations de contraintes sont telles que le sol cohérent, ou le massif rocheux, reste stable dans son ensemble. Les dimensions de l’excavation ne sont alors limitées que par des conditions géométriques, telles que la proximité de la surface, l’épaisseur de la couche favorable, la présence de grandes fractures. Des instabilités locales de surface, dues à la fracturation, peuvent néanmoins se produire. Une protection de l’intrados doit donc être assurée vis-à-vis du chantier et, ultérieurement, en fonction de l’utilisation de la cavité. Les coûts les plus faibles sont obtenus lorsque le terrain est insensible à l’eau ou n’évolue pas à long terme. Cela est fréquent dans les calcaires ou les roches cristallines massives, jusqu’à une certaine profondeur.

– Le creusement perturbe les conditions d’équilibre du terrain encaissant, de telle sorte que la surface de l’excavation devient instable, soit localement, soit sur toute sa périphérie, ou encore au front de taille. Cette instabilité est toujours aggravée par la présence d’eau. Elle est de règle dans les sols sans cohésion (sables ou graviers). Elle se produit à partir d’une certaine profondeur en fonction de la résistance mécanique du terrain. Dans la plupart des cas (à l’exception notamment des sols aquifères sans cohésion), il existe un délai pendant lequel la paroi de l’excavation reste stable. Ce temps de stabilité décroît quand les dimensions de la cavité augmentent. On adapte donc les dimensions des sections creusées en fonction de ce temps et de celui qui est nécessaire pour stabiliser l’excavation avec le soutènement provisoire constitué, dans le cas de massifs rocheux, de boulons ou de béton projeté et, dans le cas de sols, de cintres ou même du revêtement définitif (voussoirs ou béton coulé par plots). Si le temps de stabilité est trop court ou nul, on procède soit à une préconsolidation du terrain (congélation, injection, préboulonnage, etc.), soit à l’utilisation de tunneliers assurant simultanément les fonctions de creusement ou de soutènement provisoire (boucliers ouverts ou fermés).

Cette diversité de situations explique la variété des méthodes d’exécution employées, ainsi que la largeur de la fourchette des coûts.

Selon la tenue du terrain rencontré, le creusement s’effectue donc dans l’ordre de stabilité décroissante, soit à pleine section, soit à partir de la demi-section supérieure (fig. 1), soit à partir d’une ou de plusieurs galeries latérales. Dans ce dernier cas, on parle de creusement en section divisée. Avec le développement de la construction des tunnels en terrain meuble dans les centres-villes, sous les immeubles, il est devenu de plus en plus nécessaire de limiter les tassements en surface à quelques dizaines de millimètres, voire à quelques millimètres seulement. Pour cela, on peut utiliser des tunneliers. Mais ils sont coûteux. Aussi, sur de courtes longueurs, on réalise au fur et à mesure de l’avancement une prévoûte devant le front de taille. Puis on creuse à l’abri de celle-ci. Le front lui-même peut être consolidé par des boulons en fibre de verre que l’on arrache au cours de l’avancement.

Creusement des tunnels au rocher

Trois procédés sont employés pour creuser des tunnels au rocher.

Le plus répandu est l’abattage à l’explosif qui s’effectue de manière cyclique. On commence par tracer et par forcer des trous de mine, que l’on charge selon un plan de tir (fig. 2). Après le tir de la volée, on procède à la ventilation des fumées, puis à la purge des blocs instables. S’intercalant ou pas dans les opérations de mise en place d’un soutènement des parois, le marinage, c’est-à-dire l’évacuation des déblais à l’extérieur, termine le cycle de creusement. Le domaine d’application de l’explosif est très vaste, jusqu’aux roches les plus dures. Sa seule limitation est l’instabilité des trous de mine dans les roches broyées ou l’instabilité du front de taille. Des précautions sont à prendre parfois, notamment s’il existe à proximité des ouvrages ou des personnes sensibles aux vibrations.

Pour les roches de résistance moyenne, on utilise un deuxième procédé: l’abattage mécanisé par machines à attaque ponctuelle. Son rendement décroît si la teneur en silice de la roche est élevée ou si la roche n’est pas fracturée. Une machine à attaque ponctuelle est constituée d’un châssis automoteur généralement chenillé, d’un bras orientable, monté sur tourelle, solidaire du châssis et muni à son extrémité d’une tête rotative équipée de pics, d’un système d’évacuation et de chargement des déblais. Cette méthode est intéressante car elle supprime les ébranlements dans le terrain encaissant. Elle a une limite économique en fonction de la dureté et de l’abrasivité des roches.

Enfin, les tunneliers, ou machines foreuses pleine section, qui économisent de la main-d’œuvre sont de plus en plus utilisés (fig. 3). Un tunnelier est un engin qui exécute toutes les fonctions. Il comporte une tête tournante porte-outils (molettes, pics) dont les efforts (poussée et couple) sont repris par un bâti fixe. Le bâti s’appuie et avance au moyen d’une ou de deux rangées de patins latéraux qui se déplacent longitudinalement par rapport au bâti. Le tunnelier comporte aussi un poste de guidage et des dispositifs pour évacuer les déblais. Certains équipements sont placés en fonction des besoins, tels que bouclier en arrière de la tête, érecteurs de voussoirs ou de cintres, foreuses, etc. Les tunneliers sont intéressants car ils évitent l’emploi des explosifs, ils diminuent les hors-profils et ils nécessitent de moindres quantités de soutènement. Ils permettent de réaliser des avancements importants quand le terrain s’y prête. En galerie hydraulique d’un diamètre de 3,5 m, des machines ont réalisé des avancements journaliers de 130 mètres et des avancements mensuels de 2 000 mètres. L’avance est plus faible en grand diamètre. Ces machines ont été adaptées au creusement de puits. Leurs inconvénients résident dans leur coût de fabrication, la baisse de leur performance en terrain hétérogène ou de faible résistance, la forme circulaire de la section, limitée à une fourchette de diamètre comprise entre 3 et 14 mètres environ.

Soutènement des tunnels au rocher

Les trois types de soutènement utilisés le plus souvent sont le béton projeté, les boulons et les cintres métalliques.

Le béton projeté à prise rapide inclut ou non, suivant les cas, des fibres métalliques de quelques centimètres de longueur. Celles-ci lui servent d’armatures, en exerçant une action de feutrage. Il est mis en place par coques minces successives et réalise un confinement du terrain lui permettant de garder sa résistance initiale.

Les boulons sont des tiges métalliques soit ancrées à une extrémité, soit scellées de manière continue (mortier de ciment ou résine), ou même plaquées sur toute la longueur dans le forage (procédés swellex ou split-set). Les boulons permettent de réaliser un anneau de roche armée où sont supprimées les faiblesses résultant des fractures du massif rocheux.

Pour être efficaces, il est indispensable que les cintres métalliques soient entretoisés, calés au terrain avec soin (par bétonnage, boulonnage, ou calage) et aient une bonne assise à leur base.

Des moyens annexes, tels que le grillage, les plaques, sont, en cas de besoin, combinés aux précédents.

Dans les tunnels au rocher, on applique une nouvelle conception du soutènement. Pour ce faire, on réalise un autosoutènement géométrique en donnant à l’excavation un profil régulier sans angles vifs, avec des rayons de courbure aussi grands que possible. On fait participer le massif rocheux encaissant au soutènement, en créant, aussi rapidement que possible, un anneau de roche armée par boulonnage systématique. Le grillage ou le béton projeté est mis en place au plus tôt. Si cela ne suffit pas, le soutènement est renforcé soit par des cintres légers coulissants ancrés par des boulons, soit par des boulons complémentaires. Si les parois du tunnel présentent encore de grandes déformations, il est nécessaire de fermer provisoirement la section par une coque de béton projeté en radier.

Au moyen de mesures régulières des déplacements des parois (convergences), éventuellement de points de sondage à l’intérieur du rocher, de mesures de contraintes à l’interface du rocher et du soutènement ou dans certains éléments du soutènement, l’ingénieur apprécie l’efficacité de ces dispositions.

Cette manière de procéder, qui fait participer le terrain au soutènement, est parfois désignée sous le terme «nouvelle méthode autrichienne», mais est largement répandue dans divers pays. Il est difficile de l’employer quand le délai de stabilité de la section nécessaire à la mise en place du soutènement est trop court, quand le terrain ne peut plus être boulonné (forages instables), ou quand de trop fortes venues d’eau empêchent de mettre en place le béton projeté.

Tunnels au bouclier en terrain meuble

Les boucliers constituent une méthode de soutènement assurant la protection des postes de travail, qui peuvent alors être mécanisés (creusement, évacuation des déblais). On construit des boucliers légers, qui sont formés par des lances métalliques et utilisés dans les sols secs. Le front de taille est ouvert, et doit donc rester stable.

Pour les sols aquifères, les boucliers sont constitués par une coque cylindrique en acier munie à l’avant d’une trousse coupante. Ils sont enfoncés dans le terrain au moyen d’une couronne de vérins, prenant appui sur le revêtement déjà en place, généralement constitué de voussoirs préfabriqués, mis en place à l’abri de la partie arrière du bouclier. En effet, il est indispensable que ce revêtement suive l’avancement et soit capable de reprendre immédiatement les réactions d’appui des vérins.

Des innovations importantes ont été apportées ces dernières années, en vue d’assurer la stabilité du front de taille dans les terrains aquifères, de telle sorte qu’il n’est pas nécessaire de recourir systématiquement à l’air comprimé qui, pour des raisons physiologiques, voit son emploi limité à des charges d’eau d’environ 25 mètres.

Le soutènement du front de taille est assuré par la formation d’un cake, en isolant la tête du bouclier de l’espace accessible et en remplissant la chambre de travail d’une boue à base de bentonite en surpression (fig. 4). Dans cette chambre, une roue munie d’outil de coupe excave le terrain. Les déblais sont évacués vers l’arrière par la boue. D’autres procédés sont mis en œuvre pour soutenir le front de taille. Les boues lourdes à base d’argile, ou d’agents élevant la viscosité, permettent de créer un gradient hydraulique stabilisateur à l’intérieur du terrain.

Les canalisations des boucliers à boue sont dimensionnées en fonction du plus grand diamètre de galets que l’on trouve dans le sol. En présence de blocs plus gros, il faut procéder à leur destruction manuelle sous air comprimé ou après stabilisation du sol par injection. Les boucliers à boue ont sur les boucliers traditionnels l’avantage de ramener les tassements en surface à des valeurs faibles, compatibles avec la stabilité des bâtiments, d’où leur intérêt pour les tunnels en site urbain. Leur coût d’investissement limite leur emploi à des chantiers d’une certaine importance. Les boues elles-mêmes sont constituées par une argile spéciale, la bentonite, qui est coûteuse. Aussi, elles sont recyclées en permanence après leur nettoyage appelé régénération: le terrain extrait du tunnelier est séparé de sa bentonite par centrifugation et filtration. Les usines nécessaires sont encombrantes et, elles aussi, coûteuses. Actuellement se développent des méthodes de confinement du front de taille sans utilisation de boue. On incorpore au terrain, dans le chantier d’attaque, des mousses afin de le rendre suffisamment plastique pour qu’il puisse être extrait. On veille à ce que celles-ci, qui ne sont pas récupérées, soient biodégradables. Ces boucliers sont appelés «à pression de terre».

Sur le chantier du tunnel sous la Manche, le bouclier à pression de terre T4, d’un diamètre de creusement de 5,75 m, du côté France sous terre, a battu les records connus d’avancement, avec 40,6 m par jour et 887 mètres par mois. Dans la craie, sous la mer, les boucliers des tunnels ferroviaires, d’un diamètre de creusement de 8,8 m, ont réalisé des pointes de 51 mètres par jour. Quand l’apprentissage des équipes est achevé, les boucliers creusent les tunnels plus rapidement qu’avec les méthodes traditionnelles.

Revêtement définitif

Les méthodes modernes de soutènement assurent, en général, la stabilité définitive de l’excavation dans les massifs rocheux. Néanmoins, il existe des terrains qui continuent à évoluer dans le temps, soit par gonflement, soit par fluage de certains minéraux, soit par consolidation des argiles. Un revêtement définitif est alors nécessaire pour assurer un confinement pérenne de ces terrains. Son dimensionnement tient compte de ces phénomènes différés.

Dans les sols, les voussoirs peuvent assurer simultanément le soutènement provisoire et le revêtement définitif. Ils constituent un système qui nécessite une étude globale, depuis la fabrication jusqu’à l’incorporation dans le revêtement, prenant en compte les efforts exercés pendant la pose à long terme.

Pour limiter les tassements, dus principalement à l’épaisseur de la jupe du bouclier, les injections de remplissage sont effectuées au plus tôt après la pose avec des coulis de ciment.

Les revêtements assurent également, en cas de besoin, d’autres fonctions, telles que la conservation du soutènement à long terme, l’étanchéité vis-à-vis de l’eau provenant du sous-sol, l’étanchéité pour empêcher les fuites d’eau dans le terrain. Pour les conduites forcées ou les galeries à forte charge, on réalise un ou plusieurs blindages en tôle d’acier.

Certaines fonctions sont liées aux conditions d’utilisation. Les parois sont lissées lorsqu’on y fait circuler de l’air (galeries de ventilation) ou de l’eau (galeries hydrauliques). Parfois, elles sont protégées contre l’érosion ou la cavitation dans les galeries hydrauliques où l’eau circule à grande vitesse. Dans les tunnels routiers, on améliore la surface des piédroits pour réaliser des économies d’éclairage.

Les coffrages sont formés d’éléments métalliques qui se replient après prise du béton pour passer à l’intérieur des coffrages d’anneaux en cours de prise. Le béton est mis en place à la pompe et vibré à partir du coffrage. Il n’est pas laissé de vide derrière les revêtements afin que ceux-ci puissent résister dans les meilleures conditions. Ainsi, on procède à des injections systématiques de remplissage derrière la partie supérieure des revêtements en béton coffré. Les revêtements définitifs sont bétonnés lorsque les déformations du soutènement sont quasi arrêtées. Par suite du retrait du béton à son premier âge, le bétonnage se fait par anneaux de 6 à 12 mètres. En présence de nappe, les joints entre anneaux sont munis de dispositifs d’étanchéité. Les bétons de tunnels ne sont jamais totalement étanches, car la plupart du temps ils ne sont pas ferraillés, et, même dans ce cas, il existe des microfissurations par lesquelles l’eau sous pression dans le terrain finit toujours par cheminer. Cela provoque au minimum des dépôts de sels (salpêtres) divers et des salissures, sur les parois du tunnel. Aussi, pour les tunnels routiers, l’usage s’est généralisé de réaliser une étanchéité intercalaire par feuilles de matière plastique posées sur le soutènement. Si l’on ne recherche pas l’étanchéité, des joints sont utilisés pour drainer et collecter les eaux du terrain.

Tranchées couvertes

Dans les zones urbaines, la construction des ouvrages souterrains profonds s’effectue à partir de la surface que l’on recouvre ensuite d’une dalle en béton armé et de remblai. Ce sont essentiellement des raisons économiques, liées à des facteurs locaux, qui conduisent à cette solution. En particulier, les travaux de déplacement de réseaux ne doivent pas être trop importants.

En première phase, des parois verticales sont construites soit dans une fouille talutée, soit, si on manque de place, dans une fouille aux murs verticaux. Ceux-ci sont constitués généralement par des parois moulées qui peuvent servir de soutènement ou être incorporées à l’ouvrage définitif. Les murs verticaux sont construits dans une fouille stabilisée par une boue à base de bentonite en légère surpression, qui forme un cake. Le béton, avec ou sans cages d’armature, est ensuite coulé. On place également, dans la fouille, des éléments préfabriqués en béton armé munis de joints étanches verticaux.

Ensuite, soit la tranchée est excavée à l’air libre, puis des dalles sont construites à l’intérieur de l’excavation, soit la dalle supérieure est d’abord coulée, et, à son abri, on déblaye la tranchée et on aménage la structure. Cette dernière méthode permet de rendre rapidement la surface du terrain à la circulation. Quand le niveau de la nappe phréatique est plus bas que l’ouvrage à construire et la hauteur suffisante, la dalle supérieure peut avantageusement être remplacée par des voûtes.

L’exécution du fond de fouille et de son soutènement dépend de leur position par rapport à la surface de la nappe phréatique et de la perméabilité du terrain encaissant. Pour faciliter les terrassements, on rabat la nappe par puits drainants, si les tassements ne sont pas à craindre autour et si la perméabilité est faible. On opte également pour un creusement sous l’eau, suivi d’une stabilisation du fond de fouille par une dalle de béton coulé sous l’eau. Une autre solution, employée pour le métro de Lyon, consiste à injecter, avant creusement, une tranche de sol sous le futur radier jusqu’à obtenir une cohésion suffisante.

Tunnels immergés

Un tunnel immergé est un procédé qui permet de traverser dans des conditions compétitives des fleuves navigables ou des estuaires maritimes, où il faut laisser à la fois une profondeur de chenal importante (de 15 à 16 m) et une grande hauteur libre (de 45 à 55 m) pour les bateaux de haute mer (fig. 5). Les autres solutions, comme le pont fixe qui doit laisser de grandes portées libres et avoir de longues rampes d’accès ou le tunnel creusé dont le radier doit être très profond, ne sont pas toujours possibles. La construction d’un tunnel à l’air libre par tronçons à l’abri de batardeaux successifs gêne la navigation et accroît les courants.

Compte tenu des problèmes posés par les rampes d’accès ou la nature du sous-sol, la solution d’un tunnel immergé construit par éléments préfabriqués peut être choisie. Ces éléments tubulaires sont réalisés soit en métal avec un remplissage de béton, soit en béton armé, soit en béton précontraint. Il est nécessaire de prendre des dispositions pour assurer l’étanchéité. En fonction des possibilités offertes par le chenal navigable pour la flottation des éléments, la tendance est de construire des éléments de plus en plus longs, qui peuvent atteindre 268 mètres.

Les éléments tubulaires sont construits successivement à sec dans une sorte de forme de radoub avec bateau-porte. Les extrémités des caissons sont obturées provisoirement et sont munies de deux cheminées métalliques pour le guidage. Un lestage au moyen de bacs remplis d’eau est assuré. Les éléments sont amenés par flottaison sur leur emplacement définitif qui a été préparé par dragage. Chaque élément est coulé sur des poutres provisoires et mis au contact de l’élément précédent. Un joint en caoutchouc de type spécial (gina) assure l’étanchéité avec l’élément précédent. En pompant l’eau qui se situe entre les deux éléments, on assure le contact grâce à la pression hydrostatique qui agit sur l’autre extrémité de l’élément en cours de pose. L’appui définitif du caisson est obtenu par remblayage hydraulique. Les joints définitifs sont alors achevés.

La mise en place des caissons n’est faite que si les courants restent faibles. Des études hydrodynamiques sur modèle réduit sont souvent nécessaires. Les trémies d’accès sont construites en tranchée couverte.

Quatre-vingt-onze tunnels de ce type ont été construits dans le monde. Le plus long est celui qui permet aux deux voies de chemin de fer rapide de traverser la baie de San Francisco, sur 5 825 mètres. De nombreux tunnels routiers de ce type sont en service, notamment aux Pays-Bas, en Belgique, sur la côte est des États-Unis et au Japon.

Ventilation

Pendant les travaux, il est indispensable de renouveler, par ventilation artificielle, l’air qui est vicié par les poussières (creusement des roches), l’échappement des moteurs Diesel (si le transport des déblais se fait sur pneus), les gaz toxiques produits par les explosifs et plus généralement la chaleur dégagée par les nombreux moteurs. La réglementation du travail impose des teneurs limites en oxyde de carbone, en oxyde d’azote et en particules de poussière d’un diamètre inférieur à 5 micromètres (seuil en fonction de leur teneur en silice).

Sauf cas particulier, la ventilation des chantiers souterrains est aspirante, et il est nécessaire que l’aspiration se fasse le plus près possible des zones d’émission de polluants (front de taille, chantier de reprise du stross ou du radier, etc.), en vue de les capter avant les postes de travail. Lorsqu’il est impossible de réaliser cette condition, une ventilation auxiliaire soufflante est installée, pour ne pas laisser de zones mortes.

Si la ventilation d’une galerie est facile à assurer, il n’en est plus de même pour les grandes cavités, les souterrains ramifiés, les chantiers où existe un important gradient vertical de température (puits, descenderies). La ventilation est alors étudiée par des spécialistes pour chaque phase d’exécution.

Dans les souterrains en service, une ventilation artificielle est souvent nécessaire, tout d’abord pour le renouvellement de l’air indispensable à la respiration. Selon son niveau d’activité, les besoins d’un homme sont compris entre 10 et 50 litres par heure. Mais ce n’est pas ce besoin qui impose les plus grands débits. En effet, le renouvellement de l’air permet d’assurer un confort thermique en évacuant la chaleur produite par les appareils d’éclairage, les moteurs, etc., car le terrain encaissant fonctionne assez rapidement comme un isolant quand un équilibre thermique s’y est produit.

Certaines activités ont d’importants besoins en air frais. Par exemple, les stations d’épuration d’eaux usées nécessitent un apport important d’air pur pour favoriser les réactions biologiques d’oxydation.

Tunnels routiers

Le développement du trafic automobile dans les villes et la nécessité de liaisons rapides de grande capacité donnent aux tunnels routiers un essor récent. Ces ouvrages sont remarquables par leurs grandes sections, comparables à celles des usines souterraines (fig. 6). En effet, pour placer trois voies routières, des distances entre parois d’au moins 12 à 13 mètres sont nécessaires. Le premier tube du tunnel de Saint-Cloud en région parisienne, ouvert en 1945, a une largeur de 17 mètres entre piédroits. Il est exploité à quatre voies de circulation. Les trois quarts environ des 796 tunnels routiers français ont moins de 200 mètres de longueur et ne nécessitent pas d’équipements importants. Par contre, dès que leur longueur s’accroît et que le trafic augmente, les tunnels routiers demandent l’installation et l’utilisation d’un assez grand nombre d’équipements pour leur permettre d’assurer, dans des conditions acceptables, le transit des véhicules. Ce sont des dispositifs destinés à restituer, au moins partiellement, les conditions d’ambiance de l’extérieur: atmosphère du tunnel non toxique, visibilité suffisante pour les conducteurs (fonction de la vitesse et des variations d’éclairage entre l’extérieur et l’intérieur), écoulement fluide du trafic.

Les véhicules dégagent des gaz toxiques ou des fumées. Pour la pollution de l’air, la teneur en oxyde de carbone que l’on ne dépasse pas est bien inférieure aux seuils de toxicité: par exemple, 150 parties par million en volume si le trafic reste fluide. Les moteurs Diesel dégagent des fumées dont la teneur admissible dans un tunnel est exprimée par un coefficient d’absorption par mètre de distance. Ces seuils permettent d’assurer une visibilité suffisante et dépendent de la vitesse des véhicules.

Tous les tunnels sont normalement parcourus par des courants d’air longitudinaux qui s’établissent en fonction des différences de pression entre leurs deux extrémités. Elles suffisent pour les tunnels de moins de quelques centaines de mètres et dont le trafic dans les deux sens ne dépasse pas quelques centaines de véhicules par heure. Dans les tunnels unidirectionnels, comme sur les autoroutes, la circulation des véhicules entraîne l’air et crée une autoventilation qui peut suffire pour des longueurs plus importantes. Dans les tunnels où la circulation s’effectue dans les deux sens, les effets de pistonnement s’annulent au-delà de 200 mètres environ. Il est alors nécessaire de recourir à une ventilation artificielle.

Dans le système de ventilation longitudinale, l’air est poussé par de petits groupes motoventilateurs. Le débit total d’air dans le tunnel est limité par la vitesse acceptable de l’air, qui est de l’ordre de 8 mètres par seconde. En raison notamment des problèmes de désenfumage en cas d’incendie, cette solution est surtout adoptée pour des tunnels unidirectionnels, comme ceux des autoroutes de montagne (A-40, A-42, A-48, A-8, etc.).

Dans le système transversal, deux conduits longitudinaux sont disposés dans la section, l’un en surpression transporte et distribue de l’air frais, l’autre en dépression aspire l’air vicié. Des bouches sont réparties sur chacun des conduits. Théoriquement, aucune circulation longitudinale d’air ne devrait se produire. En réalité, les différences de pression aux têtes et le pistonnement des véhicules provoquent une vitesse longitudinale de l’air jusqu’à quelques mètres par seconde. Un débit minimal d’air vicié de 80 mètres cubes par seconde par kilomètre est considéré comme indispensable pour aspirer les fumées en cas d’incendie du réservoir d’un camion. Ce système, avec des puits intermédiaires, est employé pour de très longs tunnels comme ceux du Saint-Gothard (16,9 km), le plus long tunnel routier du monde, du Fréjus (12,9 km) et du Mont-Blanc (11,6 km).

Le système de ventilation semi-transversal est très utilisé pour les tunnels urbains de longueur moyenne. Une seule conduite longitudinale subsiste, l’autre étant constituée par la partie de la section utilisée par les véhicules. En utilisation normale, l’air frais est apporté par la conduite en surpression. En cas d’incendie, on la met en dépression pour aspirer les fumées. Depuis le début des années 1990, la réglementation est devenue très contraignante en ce qui concerne les teneurs maximales admissibles de dioxyde d’azote (NO²), à l’air libre. Il est fréquent que la teneur en air vicié, qui sort d’une extrémité de tunnel routier à fort trafic, risque de dépasser les seuils autorisés. Il est alors prévu des dispositifs d’extraction de l’air, avant la sortie du tunnel, avec renvoi dans la haute atmosphère.

L’éclairage fourni par les phares des véhicules est insuffisant pour les conducteurs habitués à la lumière du jour, et éblouissant quand le trafic est bidirectionnel. Lorsqu’un conducteur s’approche de l’entrée et pénètre dans un tunnel, deux phénomènes se produisent, qui doivent être palliés par l’éclairage de l’entrée du tunnel:

– le premier, spatial; le champ de vision du conducteur est occupé, dans la partie centrale, par la surface relativement sombre du tunnel et, à la périphérie, par des surfaces lumineuses qui créent un voile à l’intérieur de l’œil et gênent la perception des contrastes;

– le second, dynamique; l’œil du conducteur, qui s’était adapté à la lumière du jour, doit ensuite s’habituer à un éclairage différent et moins intense.

Un tunnel long est découpé pour l’éclairage en une zone d’entrée où l’éclairage intense décroît progressivement sur une longueur de 100 à 300 mètres, une zone courante où l’œil s’est adapté et une zone de sortie où il faut habituer l’œil à un éclairage plus intense.

Un tunnel routier comporte des équipements d’exploitation qui sont destinés à informer les conducteurs – signalisation par panneaux ou par feux tricolores – ou à leur permettre de communiquer avec l’extérieur – téléphone, bouton d’appel.

Les problèmes posés par les tunnels routiers sont bien résolus. Il en existe dans le monde cent quarante-trois qui ont plus de 3 kilomètres de longueur, et trente-deux plus de 6 kilomètres.

Longs tunnels ferroviaires

Le problème de la traversée des Alpes par les voies ferrées a été résolu par la construction de longs tunnels: en 1898, Tende (8,1 km); en 1912, Loetschberg (14,6 km); en 1905, Simplon (19,8 km), doublé en 1921; en 1881, Saint-Gothard (14,9 km); en 1884, l’Arlberg (10,25 km); en 1906, Tauern (8,5 km); en 1906, Karawanken (7,9 km). Beaucoup de ces tunnels sont doublés par un tunnel routier. À l’origine, la traction à vapeur nécessitait une ventilation artificielle. Le recours à la traction électrique a permis de s’en passer.

De nouvelles lignes aux caractéristiques géométriques très contraignantes sont construites par les trains à grande vitesse (jusqu’à 350 km/h). Dans les sites accidentés, elles comportent des tunnels (la ligne du T.G.V.-Atlantique comprend deux tunnels, celle du T.G.V. de contournement de Lyon jusqu’à Valence, quatre tunnels, et celle du T.G.V.-Méditerranée jusqu’à Marseille, cinq tunnels). À ces grandes vitesses, un phénomène gênant se produit à la traversée des tunnels: le rétrécissement de la section libre au droit des trains crée à leur extrémité des ondes de pression dont l’amplitude est proportionnelle au carré de la vitesse. Elles se réfléchissent aux extrémités et sur le train au retour. Les variations rapides de pression qui en résultent ne doivent pas dépasser un certain seuil. Cela conduit à augmenter la section du tunnel par rapport aux sections traditionnelles, pour atteindre 160 mètres carrés avec deux voies.

Un autre effet se produit avec les trains à grande vitesse, les trains lourds et les métros: la température de l’air s’élève à cause de l’énergie dissipée par le train (frottement aérodynamique, moteurs thermiques, freinage), car la chaleur finit par ne plus être dissipée par le terrain quand un régime s’établit. Cela peut provoquer des pannes de moteurs de traction. Le tunnel sous la Manche est refroidi par de l’eau rafraîchie jusqu’à 4 ⁰C, qui circule tout le long du souterrain et a nécessité une usine de refroidissement de 72 mégawatts.

De nombreux pays utilisent la traction Diesel qui crée des bouchons d’air pollué dans les tunnels de plus de 4 à 5 kilomètres de longueur, si les trains circulent dans les deux sens. Le polluant critique est constitué par les oxydes d’azote, mélange comportant environ 90 p. 100 de NO et 10 p. 100 de ². La teneur en oxyde d’azote, limite généralement admise, est de 20 parties par million. Pour la contrôler, le système de ventilation le plus courant consiste à fermer le tunnel par une porte placée à la tête pendant le passage des trains. Cela supprime l’entraînement de l’air par pistonnement. L’air se renouvelle ainsi au droit du train. Quand le train est sorti, la porte est ouverte et l’air pollué chassé par ventilation longitudinale (exemple du tunnel long de 4 623 m sur le chemin de fer Congo-Océan).

Un autre système consiste à assurer une ventilation longitudinale en insufflant de l’air aux entrées à partir d’un puits central. Dans les tunnels sous-marins, l’air est amené par une galerie de service (Seikan, Manche). Dans le tunnel de Mount MacDonald du Canadian Pacific long de 14,7 km, les deux moitiés du tunnel de part et d’autre du puits central peuvent être ventilées indépendamment grâce à deux portes, l’une à la tête est, l’autre sous le puits central de ventilation.

Néanmoins, les débits de ventilation pour les tunnels ferroviaires sont beaucoup moins élevés que pour les tunnels routiers. Il existe dans le monde plus de cinquante tunnels ferroviaires dont la longueur dépasse 6 kilomètres. Six sont plus longs que le plus long des tunnels routiers. C’est pour cette raison que les grands tunnels sous-marins, pour lesquels il est difficile d’aménager des puits intermédiaires, sont plus utilisés par le chemin de fer que par la route.

Mis en service en mars 1988, le tunnel de Seikan au Japon relie les îles d’Hokkaid 拏 et de Honsh . Son tube principal à deux voies a 9,6 m de diamètre. Dans sa partie sous-marine de 23,3 km, dont le point le plus bas est de 240 mètres sous le niveau des mers, il comporte en outre une galerie de service et une galerie de drainage. Sa longueur totale, de 58,35 km, dépasse de 2 kilomètres le tunnel sous la Manche (1993). Ce dernier, avec un parcours sous-marin, le plus long connu, de 28 kilomètres, comporte deux tunnels à une voie de 7,6 m de diamètre, placés de part et d’autre d’une galerie de service de 4,8 m de diamètre. Le point le plus bas est à une centaine de mètres sous le niveau de la mer. Afin de diminuer la résistance aérodynamique des trains (pour une navette transportant des véhicules, la puissance passe de 20 à 80 kw), les deux tunnels principaux sont reliés tous les 250 mètres par des rameaux de pistonnement. En outre, les deux tunnels sont mis en connexion avec la galerie de service tous les 375 mètres par des galeries de liaison qui servent pour les travaux d’entretien et l’évacuation des passagers en cas d’urgence. La traversée de la Manche en navette dure 35 minutes. En T.G.V., Paris est à 3 heures et 15 minutes de Londres, au lieu de 7 heures et 25 minutes par le train et le ferry. Sur le parcours en train classique, le gain de temps est de 2 heures environ. La capacité du système de navettes, qui achemine les véhicules routiers à 160 kilomètres par heure, est comparable à celle d’une autoroute. La capacité du tunnel est de 30 millions de passagers et de 15 millions de tonnes de fret.

Au milieu des années 1990, de très grands projets de tunnels routiers et ferroviaires sont en cours de réalisation ou sont sérieusement envisagés. Il s’agit en général de traverser des isthmes pour relier des îles aux continents, ou bien de franchir des barrières rocheuses. On citera, au Danemark: le Størebelt, qui relie la Seeland à la Fionie, comprend un tunnel ferroviaire de 7 410 mètres; le Øresund link, qui relie la Fionie à la Suède, comprend un tunnel immergé routier et ferroviaire de 3 750 mètres; le Fehmarnbelt (d’environ 20 km), qui relie la Fionie à l’Allemagne et dont le choix des sections à réaliser en viaduc ou en tunnel est en cours d’étude; en Italie, l’ouvrage qui reliera la Sicile au continent, soit un viaduc, soit un tunnel constitué d’un tube immergé sous la surface de la mer et ancré en profondeur par des câbles, prolongé par une vingtaine de kilomètres de tunnels creusés dans les montagnes riveraines. En Suisse, les tunnels ferroviaires de base du Saint-Gothard (57 km), du Lötschberg (33,6 km), du Simplon (35 km); en Autriche-Italie, celui du Brenner (55 km); en France-Italie, le tunnel de base du Fréjus (52 km); entre l’Espagne et le Maroc, Gibraltar (54 km de tunnel ferroviaire, dont 28 sous la mer). Un lien fixe entre la Corée et le Japon, combinant viaducs et tunnels et s’appuyant sur un chapelet d’îles, est, lui aussi, envisagé.

Enfin, entre la France et l’Italie, le prochain grand tunnel routier sera vraisemblablement celui du Mercantour, qui aura une longueur de 17,6 km. Mais déjà, en Norvège, le tunnel routier de Tynjadalslinja, entre Bergen et Oslo, qui aura plus de 20 kilomètres, a été décidé.

En conclusion, la demande de tunnels et d’ouvrages souterrains s’est accrue considérablement ces dernières années pour faire face à des besoins très variés, en particulier dans le domaine des transports rapides, de l’aménagement urbain, de la mise en valeur des ressources hydrauliques, du stockage. La réalisation de ces ouvrages dépend beaucoup des conditions géotechniques locales. De grandes disparités apparaissent donc selon les pays et les régions. La technologie évolue rapidement, avec pour objectif d’obtenir des cadences d’exécution plus rapides, une meilleure sécurité et des coûts plus bas. La conscience de ses possibilités n’est pas encore suffisamment perçue par les décideurs, sauf dans des domaines ou des zones géographiques particuliers.