Brevet FR3023304A1 — publié le 20160108

PROCEDE DE RENOUVELLEMENT DE VOIE FERREE ET DE BALLAST L'invention concerne un procédé de remplacement de rails, de traverses et de ballast de voie ferrée, particulièrement applicable aux zones denses. Tout au long du texte on utilisera les notations suivantes : - RB : Renouvellement de Ballast, c'est-à-dire remplacement au moins partiel de ballast ancien par du ballast neuf ou du ballast ancien trié, - RT : Renouvellement de Traverses, c'est-à-dire remplacement des traverses anciennes par des traverses neuves ; cependant le procédé n'exclut pas de remettre en place les traverses anciennes, - RR : Renouvellement de Rails, c'est-à-dire remplacement des rails anciens par des rails neufs, - RVB : renouvellement de Voie et Ballast, correspondant de fait à un RT+RR+RB, - BN : Barres normales. Lorsque les rails ne sont pas soudés les uns aux autres, les barres élémentaires (moins de 100 m) sont reliées entre elles par des éclisses. On parle alors de voie équipée en barres normales. C'est le type de rails le plus ancien, beaucoup moins utilisé de nos jours. - LRS : Long Rail Soudé. Une voie est dite en LRS lorsque les rails qui la constituent sont soudés les uns aux autres, pour constituer un rail continu sur de très grandes longueurs, -2 - Châssis de voie : ensemble constitué par les traverses et les rails assemblés, * BML : Bourrage Mécanique Lourd, c'est-à-dire bourrage du ballast par une machine ferroviaire (par opposition au bourrage manuel), permettant de compacter le ballast, - LTV : Limitation Temporaire de Vitesse. Les zones en travaux sont restituées chaque jour aux circulations commerciales (reddition) ; les travaux en cours détériorent momentanément la qualité géométrique et la stabilité des voies, imposant par mesure de sécurité une réduction des vitesses de circulation des trains. La LTV est caractérisée par la vitesse de reddition (ou taux de LTV), et la longueur sur laquelle elle s'applique, - Température neutre : température à laquelle un LRS ne subit pas de contrainte thermique. Elle est définie par l'opérateur et elle dépend du pays. Un rail posé en voie peut être assimilé à une grande barre d'acier, de section relativement faible par rapport à sa longueur. Comme pour tous les métaux, sous l'effet de la chaleur, cette barre d'acier se dilate. Sur une voie équipée en barres normales, la dilatation est absorbée au niveau des joints de rails, un jeu réglé précisément entre deux barres consécutives autorisant un léger allongement des rails. Une voie équipée en barres normales est donc relativement peu sensible aux variations de températures. Ce n'est pas le cas avec une voie équipée en LRS car il n'y a dans ce cas pas de joints entre les rails permettant d'absorber la dilatation. Le serrage du rail sur les traverses et l'ancrage des traverses dans le ballast s'opposent au libre mouvement des rails sous l'effet des variations de température. La dilatation du rail étant contrariée, elle est compensée par une augmentation des tensions internes du rail. Lorsque la résistance du ballast n'est plus suffisante pour s'opposer aux contraintes internes du rail, le rail finit alors par s'allonger - 3 - d'un coup : comme il ne peut s'allonger sur la longueur, il le fait dans le sens latéral, créant alors une déformation de la géométrie du châssis de la voie. De telles déformations de la voie sont évidemment extrêmement dangereuses, d'autant plus qu'elle surviennent le plus souvent très subitement. Une voie équipée en LRS présente donc un risque supplémentaire par rapport à une voie posée en barres normales. Tout mouvement du rail sous l'effet des variations thermiques doit être totalement contrarié. Les efforts résultant des températures extrêmes, hautes ou basses, ne doivent provoquer aucun déplacement longitudinal d'ensemble, ni aucune déformation latérale du châssis de voie. Toute la problématique de la pose de LRS repose sur la maîtrise de ces contraintes, permettant d'assurer leur stabilité. Il faut distinguer la stabilité verticale et la stabilité transversale. Stabilité Verticale Le flambement vertical d'une voie en LRS n'est pas à craindre en situation normale où les rails sont fixés aux traverses. Compte tenu de la masse du châssis de voie et de l'inertie verticale du rail, l'amplitude maximum admise pour les défauts de nivellement vertical de la voie est insuffisante pour qu'il se produise un décollement de la voie sur les bosses et donc a fortiori un flambement vertical. Toutefois, par température élevée, les efforts de compression entraînent une diminution du poids apparent de la voie au sommet des bosses qui se traduit par une réduction de la résistance verticale. Pour s'assurer de la stabilité verticale de la voie, il faut donc : o Une voie « lourde » : la pose de traverse en béton est le plus souvent imposée o Une voie sans défaut marqué de la géométrie en nivellement. Stabilité horizontale Le flambement sur le plan horizontal est le risque le plus marqué. Pour qu'une voie ne se déforme pas par température élevée, il faut que les efforts 30 latéraux exercés sur le ballast par le châssis ne dépassent pas la résistance -4 transversale du ballast lorsque les rails sont soumis à une contrainte thermique. Pour cela il faut : - S'assurer de la solidité de la couche de ballast, et de sa capacité à contrer les efforts exercés par le rail : o Respect d'une quantité de ballast en voie, avec des profils latéraux définis (effet de masse du ballast), o Compactage de cette couche de ballast, pour en augmenter la solidité : on parle de stabilisation de la couche de ballast. Cette stabilisation est acquise après passage d'un grand nombre de trains, on peut également l'obtenir « artificiellement » avec une machine spéciale appelée stabilisateur dynamique, - Maitriser autant que possible les contraintes internes du rail. Les efforts de compression (ou de traction) doivent être maintenus à des valeurs admissibles en limitant par un choix judicieux de la température neutre, la variation de température maximale. La résistance latérale offerte par le ballast permet des variations de température de l'ordre de ± 40°C environ. En réglant la longueur du rail pour que ses contraintes internes soient nulles à environ T = 25°C (température neutre), on s'assure que la voie ne se déformera pas dans une plage de température, par exemple - 15°C / 65°C, permettant donc une forte sécurité sous les latitudes françaises. L'opération de réglage de la longueur du rail, pour qu'il soit à contrainte nulle lorsque la température est à la température neutre, s'appelle « la libération des contraintes des LRS ». Elle est obligatoire sur toute voie équipée en LRS. La problématique des travaux de renouvellement des voies ferrées Les voies se dégradent sous l'effet des circulations de trains, et il est nécessaire de renouveler régulièrement ses constituants. Lorsque le renouvellement de la voie est complet, c'est-à-dire qu'il concerne les rails, les traverses et le ballast, on parle d'opération de RVB (Renouvellement de Voie et de Ballast). Le procédé de l'état de l'art comporte les étapes suivantes : - Déchargement des LRS neufs en bordure de voie, sur le ballast, en attente, - Tronçonnage éventuel des LRS anciens, - Dégarnissage du ballast, - Remplacement des traverses et des rails simultanément : les LRS neufs sont posés sur des traverses neuves, - Travaux de mise à hauteur et de stabilisation de la couche de ballast, - Ramassage des rails anciens. Le phasage de travaux est donc le suivant : RB -> RT+RR- Mise à Hauteur Ou RB+RT+RR -> Mise à Hauteur Les procédés de l'état de l'art sont tous basés sur le remplacement simultané du châssis de voie (RT + RR). Lors des opérations de renouvellement du ballast, on détruit la géométrie, la solidité et donc la résistance de la couche de ballast aux efforts induits par le châssis de voie. Lorsqu'on pose un châssis de voie neuf constitué de LRS, on installe donc des LRS dont la libération des contraintes n'a pas encore été réalisée, sur une voie dont la couche de ballast, en reconstruction, n'a pas sa capacité de résistance normale aux efforts dus aux rails. Le risque d'instabilité du LRS est donc important. Pour s'en affranchir, l'état de l'art consiste à prendre les mesures de précaution suivantes : o Réalisation des travaux de jour prioritairement : réduit (sans les supprimer) les risques d'élévation de température au cours de la nuit, et donc réduit le risque d'un pic de contrainte interne des rails, o Ballastage et BML des voies renouvelées avant reddition. Dans ces conditions, la LTV des circulations commerciales est de 60 km/h, voire 40 km/h, ce qui est une contrainte forte sur l'exploitation. -6 Le relèvement de la LTV à 100 km/h n'est autorisé que lorsque la couche de ballast a retrouvé sa géométrie et sa solidité normale, après mise à hauteur complète. La circulation à vitesse normale de la ligne n'est autorisée que lorsque la libération des contraintes des LRS a ensuite été effectuée. En conséquence, dans le cadre de travaux classiques de RVB, il est possible de mettre en oeuvre des rails en LRS non libérés sur une voie dont la couche de ballast, en cours de reconstitution, n'a pas sa pleine résistance, cette reddition se faisant avec une LTV Ces travaux supplémentaires se traduisent par une perte de rendement en termes de longueur de zone de chantier traitée quotidiennement. En effet, le temps d'interception des voies étant limité à la nuit, le temps nécessaire à l'exécution de ces tâches supplémentaires pour reddition à LTV > 60 km/h est autant de temps en moins consacré aux travaux de renouvellement du ballast et des traverses, RB et RT. Or le chantier de RB + RT est le plus lent, c'est donc celui qui conditionne le rendement de tout le chantier. L'objectif de l'invention est une reddition des chantiers à une LTV > 60 km/h, sans perte de rendement en termes de longueur de zone de chantier traitée chaque nuit. A cet effet, l'invention propose un procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée, comportant les étapes suivantes dans cet ordre : Tronçonnage d'au moins un long rail soudé et éclissage des tronçons de rail obtenus, - Dépose et stockage provisoire des rails éclissés, Dépose des traverses anciennes, Dégarnissage au moins partiel du ballast ancien, Pose de traverses, - Remise en place des rails éclissés sur les traverses. Dans le procédé selon l'invention, et contrairement à l'état de l'art acquis depuis 40 ans dans le domaine des travaux sur voies ferrées en LRS, les LRS anciens sont temporairement remis en voie, sous la forme de tronçons (ou barres normales) éclissés, après l'étape de dégarnissage du ballast ancien, c'est-à-dire lorsque la géométrie de la couche de ballast a été atteinte et qu'en conséquence sa résistance transversale est moindre. Les rails éclissés ne présentent pas de risque d'instabilité due à la température. Ils se traduisent par un raient (baisse de la vitesse commerciale) faible et tout à fait acceptable. L'étape de tronçonnage et d' éclissage peut être réalisée un ou quelques 30 jours avant le chantier de RB + RT, c'est à dire en temps masqué. Elle pourrait bien sûr être réalisée le même jour. Le procédé fait usage d'une rame de wagons à ballast "double flux", capables de délivrer du ballast neuf et recevoir du ballast trié et inutilisable, telle que décrite dans la demande FR 2 988 738. Cette rame de wagons double flux est généralement située à l'arrière du train de travaux. Le dégarnissage consiste à creuser une tranchée dans le ballast ancien et enlever ce ballast. Les traverses de remplacement sont posées en fond de tranchée. Le ballast ancien est ensuite trié par exemple par un ou plusieurs cribles pour le séparer en ballast réutilisable et ballast inutilisable. Le ballast inutilisable est renvoyé vers les wagons à ballast double flux. Le remplacement des traverses (dépose des traverses anciennes et pose de traverses) fait usage de machines connues et de wagons de stockage de traverses connus généralement situés à l'avant du train de travaux. Ces étapes (dépose des traverses anciennes, dégarnissage, tri du ballast, 15 pose de nouvelles traverses, apport en ballast) sont réalisées de façon quasi simultanées par la même machine au fur et à mesure de la progression du train de travaux de l'amont vers l'aval du chantier. Enfin les rails éclissés sont ramenés dans l'axe du fil de rail et posés sur les traverses, pour y être attachés. 20 Avantageusement, le procédé peut être suivi par l'étape suivante : - Reddition de la voie à la circulation commerciale à une vitesse supérieure à 60 km/h. Dès ce premier ensemble de travaux réalisés, la voie peut être rendue à 25 une vitesse commerciale strictement supérieure à 60 km/h, par exemple 80 km/h voire plus. Le procédé peiniet une reddition à une vitesse supérieure à 60 km/h sans risque de flambage des rails, même avec une couche de ballast qui n'a pas encore sa géométrie et sa résistance définitives du fait que les barres normales éclissées ne sont pas soumises aux contraintes thermiques comme le 30 sont les LRS. A fortiori, la voie peut être rendue à une vitesse strictement -9 supérieure à 60 km/h lorsque des travaux de consolidation du ballast sont intervenus ultérieurement. Avantageusement, la dépose des rails éclissés et leur stockage provisoire peut comporter l'opération consistant à écarter les rails éclissés et à les maintenir écartés sur la longueur du chantier de remplacement de traverses et de dégarnissage. Une fois détaché des traverses, le rail éclissé est simplement écarté vers l'extérieur de la voie par le train de travaux, en amont de la dégarnisseuse à 10 ballast et son stockage provisoire peut consister à le maintenir, grâce à des pinces adaptées, écarté et au-dessus des banquettes de ballast. Avantageusement, les traverses posées peuvent être des traverses neuves. Dans ce cas, de façon surprenante, le procédé selon l'invention comporte donc la remise en place des rails anciens, tronçonnés en barres normales et 15 éclissés, sur des traverses neuves. Avantageusement, le procédé peut être suivi par l'étape suivante : - Apport de ballast et bourrage. Le ballast réutilisable est mélangé à du ballast neuf, l'ensemble est déversé sur les traverses qui viennent d'être posées. Simultanément le châssis 20 de voie qui vient d'être posé en fond de tranchée est relevé. On procède ainsi à la mise à hauteur et à la stabilisation progressives de la couche de ballast. Ces opérations permettent de redonner à la couche de ballast sa géométrie et sa résistance définitives. Cette étape est répétée en plusieurs passes plusieurs nuits de suite pour 25 remonter progressivement le niveau de la couche de ballast. Avantageusement, le procédé peut être suivi par les étapes suivantes : - Dépose des rails éclissés, - Mise en place des longs rails soudés neufs sur les traverses. Cette étape de remplacement de rails fait usage d'outils et de machines 30 connues par ailleurs. Par mise en place on entend la pose des LRS sur les traverses et leur fixation grâce à des attaches. -10- C'est donc seulement lorsque la couche de ballast a retrouvé sa géométrie et sa résistance nominales que sont mis en place et attachés les LRS neufs sur les traverses grâce à des outils et machines connues, la couche de ballast étant en mesure de supporter les efforts transmis par les LRS en cas de température élevée. Le procédé selon l'invention comporte les avantages importants suivants : il n'est pas nécessaire d'effectuer des opérations qui auraient eu pour but de diminuer le risque de flambement des LRS neufs sur une couche de ballast instable, libérant ainsi plus de temps pour les travaux de RB et RT qui sont les plus consommateurs de temps, à la fin de chaque nuit de travaux, la voie peut être rendue à la circulation commerciale à une vitesse strictement supérieure à 60 km/h sans risque de flambement de rails. Des modes de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement certaines des étapes des travaux de RVB selon l'invention, La figure 2 représente schématiquement une fin de chantier. Dans la figure 1, le train de travaux se déplace de la droite vers la gauche, de l'amont vers l'aval du chantier, suivant le sens de la flèche F. Les rectangles 1, 2... 8 symbolisent des zones dans lesquelles sont effectuées des opérations sur les rails, les traverses ou le ballast. Elles se 30 déplacent bien sûr de la droite vers la gauche au fur et à mesure de la progression du train de travaux. Les rails R1 et R2 représentent soit des rails éclissés qui ont été détachés et rattachés sur les traverses lors d'une nuit de travaux précédente, soit des rails neufs, soit des rails qui ne doivent pas être changés. Ils seront appelés dans la suite du texte "rails précédents". Avant le début des travaux de remplacement proprement dits, les rails sous forme de LRS ont été préalablement tronçonnés et éclissés en barres normales par exemple de 54 m ; seule une paires d'éclisses 10a, I Ob est représentée par rail. Les rails R3 et R4 sont en cours de manipulation. Les rails éclissés R3, R4 ont été désolidarisés (tronçonnés, dé-éclissés...) 10 respectivement des rails précédents RI, R2 et détirefonnés. Les rails éclissés R3, R4 sont écartés vers l'extérieur de la voie par des outils connus, solidaires du train de travaux, dans la zone 1. La dépose des traverses anciennes s'effectue dans la zone 2. Le dégarnissage de ballast s'effectue dans la zone 3. 15 La mise en place de traverses s'effectue dans la zone 4. Il s'agit généralement de traverses neuves. Les rails R3, R4 sont replacés dans le fil de rail de la voie dans la zone 5. Ils sont de nouveau attachés aux traverses dans la zone 6. L'apport de ballast s'effectue dans la zone 7. Il s'agit généralement d'un 20 mélange de ballast trié réutilisable et de ballast neuf. A cet effet, le châssis de voie est soulevé pour que du ballast puisse s'installer sous les traverses. Le bourrage du ballast s'effectue dans la zone 8. On observe que la déformation imposée aux rails R3, R4 en cours de manipulation se traduit par un écartement d'une distance d entre leurs 25 extrémités amont E3, E4 et les extrémités aval respectives El, E2 des rails précédents R1, R2. En conséquence, l'étape de mise en place des rails éclissés sur les traverses peut comporter l'étape suivante : introduction d'une première portion de rail P3, P4 entre l'extrémité aval 30 El, E2 des rails qui ont fait l'objet d'un précédent chantier et l'extrémité amont E3, E4 des rails R3, R4 respectifs en cours de manipulation. - 12 - La figure 2 illustre la situation en fin de chantier. A la fin du chantier, les rails manipulés R3, R4 doivent être fixés aux rails R5, R6 qui feront l'objet du prochain chantier, que l'on appellera « rails futurs ». Les rails R3 et R4 ayant été « poussés » par la machine de travaux d'une distance d, leurs extrémités aval E'3 et E'4 vont au-delà des extrémités amont E5, E6 des rails futurs R5, R6. En conséquence, en fin de chantier, l'étape de mise en place des rails éclissés sur les traverses peut comporter l'étape suivante : tronçonnage d'une seconde portion de rail P'3, P'4 à l'extrémité aval E'3, E'4 des rails en cours de manipulation R3, R4, la première P3, P4 et la seconde portions de rail étant sensiblement de même longueur d. REVENDICATIONS1. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes dans cet ordre : - Tronçonnage d'au moins un long rail soudé et éclissage des tronçons de rail obtenus, Dépose (1) desdits rails éclissés (R3, R4) et stockage provisoire, Dépose (2) des traverses anciennes, - Dégarnissage (3) au moins partiel du ballast ancien, Pose (4) de traverses, - Remise en place (5) desdits rails éclissés sur les traverses. 2. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dépose (1) des rails éclissés (R3, R4) et leur stockage provisoire comporte l'opération consistant à écarter les rails éclissés et à les maintenir écartés sur la longueur du chantier de remplacement de traverses et de dégarnissage. 3. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les traverses posées sont des traverses neuves. 4. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est suivi par les étapes suivantes : - Apport de ballast (7) et bourrage (8).30- 14 - 5. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il est suivi par les étapes suivantes : Dépose des rails éclissés (R3, R4), Mise en place des longs rails soudés neufs sur les traverses. 6. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de mise en place desdits rails éclissés (R3, R4) sur les traverses comporte l'étape suivante : introduction d'une première portion de rail (P3, P4) entre l'extrémité aval (El, E2) des rails (RI, R2) qui ont fait l'objet d'un précédent chantier et l'extrémité amont (E3, E4) des rails respectifs (R3, R4) en cours de manipulation. 7. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée selon la revendication 6, caractérisé en ce que, en fin de chantier, l'étape de mise en place desdits rails éclissés (R3, R4) sur les traverses comporte l'étape suivante : tronçonnage d'une seconde portion de rail (P'3, P'4) à l'extrémité aval (E'3, E'4) des rails en cours de manipulation (R3, R4), la première (P3, P4) et la seconde portions de rail étant sensiblement de même longueur (d). 8. Procédé de renouvellement de longs rails soudés, de traverses et de ballast de voie ferrée selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est suivi par l'étape suivante : Reddition de la voie à la circulation commerciale à une vitesse supérieure à 60 km/h.30