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Timestamp: 2020-08-07 08:41:49+00:00

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1. Considérations stratégiques
Les tunnels, dont initialement la seule fonction consistait à franchir un obstacle (en général une montagne), sont devenus de plus en plus complexes au fil des années, avec la prise en compte d'équipements d'exploitation et de systèmes de ventilation de plus en plus compliqués, de systèmes de contrôle et de supervision susceptibles de traiter des dizaines de milliers de points à contrôler et de proposer des scénarios de gestion de plus en plus sophistiqués.
Figure 1.0 : Incendie du tunnel du Saint Gothard
À la suite des catastrophes des tunnels du Mont Blanc, des Tauern et du Saint Gothard dans les années 1999 et 2001, la prise en compte de l'ensemble des aspects relatifs à la sécurité a été renforcée, et a conduit à intégrer dès la conception des ouvrages des dispositions plus contraignantes, qui ont un impact important sur le génie civil et l'ensemble des équipements.
Les tunnels ont en général été considérés comme des ouvrages « coûteux et à risques » tant en ce qui concerne leur construction que leur exploitation, et cette « image » rend très circonspects un certain nombre de pays qui envisagent pour la première fois la construction de tunnels pour leurs grandes infrastructures de transport. en résulte que la maîtrise des coûts de construction et d'exploitation, la maîtrise des risques, essentiellement de génie civil lors de la construction, et d'accident ou d'incendie lors de l'exploitation, la nécessité d'optimiser les ouvrages à chaque étape de la conception, de la construction et de l'exploitation, sont devenus de plus en plus nécessaires. Cette maîtrise des risques et des coûts se renforce compte tenu des modes de réalisation et de financement qui sont de plus en plus souvent mis en œuvre en « Concession », « Conception - Construction » ou « Partenariat Public Privé ».
Le chapitre Considérations stratégiques a pour objet :
de sensibiliser le lecteur au « système complexe » que constitue désormais un tunnel,
de lui faire prendre conscience des grands enjeux qui doivent être pris en compte dès la définition de la « fonction » de l'ouvrage et lors des phases les plus en amont de la conception,
d'attirer l'attention du maître d'ouvrage sur la nécessité de s'entourer de compétences pluridisciplinaires de qualité et de grande expérience pour assurer la réussite de sa mission,
de faire prendre conscience qu'un tunnel est essentiellement destiné à être utilisé par des usagers dans des conditions optimales de confort et de sécurité, et qu'il doit faire l'objet d'une maintenance continue et fiable par l'exploitant. La conception d'un tunnel doit tenir compte de ces objectifs et contraintes de sécurité et d'exploitation
et enfin de faire comprendre que l'ouvrage proprement dit ne constitue qu'une partie des problèmes qu'il aura à résoudre, et que bien souvent il sera nécessaire de faire évoluer en parallèle des éléments extérieurs ne relevant pas de son autorité : réglementation - services d'intervention et de secours - procédures - etc.
Ce chapitre n'a pas vocation à être un manuel détaillé des actions à conduire par les maîtres d'ouvrages, des dispositions techniques à mettre en œuvre par les concepteurs ou des dispositions à prendre par les exploitants pour réaliser un tunnel sûr, de qualité, en optimisant les coûts de construction et d'exploitation, ainsi qu'en minimisant les risques. Le chapitre 1 n'a pas l'objectif d'être un manuel de conception. Il a pour seul objectif la sensibilisation du lecteur afin de lui faciliter l'approche et la compréhension de ce domaine complexe, de lui permettre d'éviter les erreurs malheureusement nombreuses constatées pour de nombreuses opérations, et de lui laisser percevoir les possibilités d'optimisation.
Le paragraphe Un tunnel est un système complexe présente le « système complexe » que constitue un tunnel, et liste les principales interfaces des différents sous ensembles Génie Civil, Ventilation, Sécurité.
Le paragraphe Études générales et conception (tunnel neuf) présente les éléments majeurs à considérer lors de la conception d'un tunnel.
Le paragraphe Rénovation – Remise à niveau des tunnels existants concerne la rénovation et la remise à niveau des tunnels existants
Le paragraphe Étapes de la «vie» d’un tunnel analyse les différentes étapes du "cycle de vie", et souligne les enjeux clefs de chacune de ces phases.
Le paragraphe Coûts de construction – Exploitation – Mise à niveau – Aspects financiers apporte un éclairage sur les coûts de construction, d'exploitation et de rénovation, ainsi que sur les principaux enjeux propres aux modes de financement.
Le paragraphe Réglementations – Recommandations donne une liste des principales recommandations, instructions et textes réglementaires éditées par un certain nombre de pays en Europe et dans le monde.
Le paragraphe Réseaux Routiers Souterrains Complexes présente une étude de cas de tunnels complexes et de nombreuses monographies.
Ce document a été rédigé par Bernard Falconnat (Egis) représentant français au Comité des Tunnels et membre du Groupe de Travail 5.
Sa version originale en français a été révisée par Didier Lacroix (France) et Willy De Lathauwer (Belgique - représentant de l'AITES au sein du comité).
1.1. Un tunnel est un système complexe
1.1.1. Complexité du système
1.1.2. Sous-ensemble "Génie civil"
1.1.3. Sous ensemble "Ventilation"
1.1.4. Sous-ensemble "Equipements d'exploitation"
1.1.5. Sous-ensemble "Sécurité"
1.1.6. Synthèse
Un tunnel constitue un « système complexe » qui est le résultat de la prise en compte de très nombreux paramètres. Ces paramètres peuvent être regroupés par sous-ensembles dont les principaux sont représentés sur le graphe (Fig. 1.1-1) ci-dessous.
Tous ces paramètres sont variables et interactifs, au sein de chaque sous-ensemble, ainsi qu'entre sous-ensembles.
Le poids relatif des paramètres entre eux et leur caractère plus ou moins déterminant varient en fonction de la nature de chaque tunnel. Par exemple :
les critères déterminants et la pondération de paramètres ne sont pas les mêmes pour un tunnel urbain et un tunnel de montagne,
ils diffèrent pour un tunnel court et un tunnel long, ainsi que pour un tunnel traversé par des véhicules transportant des marchandises dangereuses ou non,
ils ne sont pas les mêmes pour un ouvrage neuf ou pour un tunnel à rénover et à mettre en conformité avec les nouveaux standards concernant la sécurité.
Fig. 1.1-1 : Esquisse de sous ensembles principaux du "Système complexe tunnel"
Nota 1 : les liens sont multiples et souvent réversibles - le concept général du tunnel et la section fonctionnelle sont placés au centre de l'esquisse. Des schémas similaires pourraient être établis en plaçant d'autres facteurs au centre de l'esquisse.
Nota 2 : le premier cercle représente les « techniques ». Certaines d'entre elles recouvrent des aspects multiples :
sécurité : réglementation - études de risques - moyens - exigence de disponibilité,
géologie : géologie - géotechnique - dimensionnement,
génie civil : méthodes - délais de construction - risques et aléas,
exploitation : techniques d'exploitation et de maintenance,
coûts : construction - exploitation - maintenance courante - grosses réparations,
environnement : réglementation - diagnostics - évaluation des impacts - traitement,
Nota 3 : le second cercle représente le « contexte » dans lequel s'inscrit le projet. Certains éléments de contexte ont aussi des aspects multiples :
environnement humain : sensibilité - urbanisation - présence de bâti ou d'infrastructures,
environnement naturel : sensibilité - eau - faune - flore - qualité de l'air - paysage,
caractéristiques du transport : nature et volume du trafic - typologie - types de marchandises transportées - etc.
contraintes externes diverses : accès et contraintes particulières - conditions climatiques - avalanches - stabilité des terrains - contexte socio-économique - etc.
niveau de rentabilité : acceptabilité économique - capacité de financement - maîtrise des coûts financiers - contexte économique et politique général en cas de concession ou de PPP.
La conception d'un tunnel neuf (ou la rénovation d'un tunnel ancien) nécessite la prise en compte de ces très nombreux paramètres. L'arbre de décision pour la prise en compte de tous ces paramètres est complexe, et nécessite des intervenants pluridisciplinaires de grande expérience. Ils doivent intervenir le plus en amont possible :
de façon à permettre la prise en compte de tous les paramètres dès l'origine du projet, et d'éviter de nombreuses erreurs constatées dans des opérations en cours ou récemment achevées : prise en compte trop tardive des équipements d'exploitation et de sécurité - mise au point de la supervision sans intégrer les résultats des analyses des risques, du plan d'intervention ou des procédures d'exploitation. Les conséquences : le tunnel et ses systèmes d'exploitation et de supervision sont de ce fait inappropriés à l'exploitation.
une intervention en amont contribue à une meilleure optimisation du projet tant du point de vue de la sécurité que des coûts de construction et d'exploitation. Des exemples récents font apparaître des optimisations transversales (génie civil - ventilation -sécurité évacuation) traitées dès l'amont pouvant atteindre de l'ordre de 20% d'économie.
Chaque tunnel est un cas particulier, et doit faire l'objet d'une analyse spécifique adaptée au contexte particulier rencontré. Celle-ci est indispensable pour apporter les réponses appropriées et permettre :
d'optimiser le projet tant du point de vue technique que financier,
de réduire le niveau de risques techniques, financiers et environnementaux,
de garantir aux usagers le niveau de sécurité requis
Il n'y a pas de solution « passe-partout », et un simple « copier - coller » est presque toujours inadapté.
La conception et l'optimisation d'un tunnel nécessitent :
l'inventaire détaillé exhaustif de tous les paramètres,
l'analyse des interactions entre paramètres
l'évaluation des degrés de latitude de chaque paramètre, et le cas échéant de la sensibilité de chacun d'entre eux vis-à-vis des objectifs recherchés,
une large expérience qui est un facteur de succès car :
une approche purement mathématique n'est pas possible, du fait que le « système » est trop complexe, et qu'il n'y a pas de réponse unique,
trop de paramètres sont encore indéterminés ou variables dans les étapes amont du projet alors que des choix essentiels doivent être faits à ce niveau d'analyse,
l'appréciation des risques, de leur gravité et de leur occurrence doit être prise en compte,
beaucoup de paramètres sont interdépendants et de nombreuses interactions sont circulaires.
Un certain nombre d'exemples sont donnés dans les paragraphes suivants permettant d'éclairer la complexité, les interactivités, ainsi que le caractère itératif et « circulaire » de l'analyse.
Ces exemples ne sont pas exhaustifs. Ils sont simplement destinés à faire prendre conscience de la problématique et permettre d'initialiser les réflexions spécifiques propres à chaque tunnel.
1.1.2.1. Les paramètres
Le tableau 1.1-2 ci-dessous donne un exemple des paramètres principaux concernant les aspects relatifs au génie civil.
Tableau 1.1-2 : Principaux paramètres relatifs aux travaux de génie civil
La première colonne du tableau indique les ensembles principaux de paramètres,
La seconde colonne du tableau indique les principaux sous-ensembles de paramètres relatifs à un ensemble principal,
La troisième colonne liste un certain nombre de paramètres élémentaires relatif à un sous-ensemble. La liste n'est pas exhaustive,
La quatrième colonne du tableau indique par ensemble principal, ou par sous-ensemble, les principaux sortants liés au sous-ensemble.
1.1.2.2. Les interactions entre paramètres
Les interactions entre paramètres sont très nombreuses et bien souvent reliées par des liens circulaires compte tenu des imbrications entre les différents paramètres.
L'exemple ci-dessous (Tableau 1.1-3) concerne les interactions entre la ventilation, la section transversale et la sécurité.
La première colonne concerne la ventilation. Les paramètres listés dans cette colonne sont les paramètres élémentaires issus du tableau 1.1-2 ci-dessus pour le sous-ensemble « ventilation »,
La seconde colonne concerne la section transversale. Les paramètres sont issus du tableau 1.1-2,
La troisième colonne concerne la sécurité.
La figure fait apparaître un certain nombre de paramètres communs à plusieurs colonnes (voir connecteurs), qui créent des interactions circulaires entre les différents sous-ensembles de paramètres. Ces interactions sont liées par des fonctions complexes, qui rendent quasi impossible une résolution purement mathématique du problème. La résolution du problème nécessite la définition d'une hiérarchie entre les différents paramètres, puis la prise en compte d'hypothèses pour les paramètres de hiérarchie supérieure. Cette hiérarchie diffère d'un projet à l'autre, comme par exemple :
Pour un tunnel creusé court ou de moyenne longueur en circulation unidirectionnelle, le système de ventilation le plus probable est la ventilation longitudinale. Les accélérateurs en voûte d'un tunnel creusé ont un effet en général très faible sur le dimensionnement de la section transversale. Celle-ci pourra donc être dimensionnée dans un premier temps sans tenir compte de la ventilation, mais en tenant compte des autres paramètres déterminants. L'impact de la ventilation sur la section transversale fera l'objet d'une vérification a posteriori,
A contrario, si le tunnel est très long ou si la section est rectangulaire (tranchée couverte) le système de ventilation et ses composants (section, nombre et nature des gaines éventuelles - dimension des accélérateurs le cas échéant - etc.) ont un impact essentiel sur la section transversale. La ventilation devra être pré dimensionnée dès le début de l'analyse en faisant des hypothèses préliminaires sur la dimension de la section. La géométrie de la section transversale sera vérifiée ensuite.
Tableau 1.1.3 : Interactions entre les paramètres
Le processus de résolution est ensuite itératif et basé sur un premier jeu d'hypothèses, comme le montrent les exemples précédents. Ce processus nécessite une expérience transversale inter-métiers approfondie des intervenants permettant de prendre en compte les paramètres pertinents pour le projet concerné, de mieux cibler les itérations successives, et de garantir une meilleure optimisation du projet, avec le niveau de service et de sécurité requis.
1.1.3. Sous-ensemble "Ventilation"
Le tableau 1.1-4 ci-dessous donne un exemple des paramètres principaux concernant les aspects relatifs à la ventilation. Ce tableau n'est pas exhaustif.
Comme pour le « génie civil », les interactions entre paramètres sont très nombreuses. Elles font également l'objet de relations circulaires.
Le mode de résolution des problèmes est similaire à celui esquissé ci-dessus pour le « génie civil ».
Tableau 1.1.4 - Principaux paramètres influençant la ventilation
Ces paramètres ne sont pas tous fondamentaux pour la définition de la section fonctionnelle, à l'exception :
des réservations et fourreaux pour le passage des câbles, l'alimentation en eau pour la lutte pour l'incendie et les conduites associées,
de la signalisation de direction, d'information, de sécurité ou de police. La signalisation de direction peut dans certain cas (tranchée couverte) avoir une forte incidence sur la géométrie (hauteur entre chaussée et plafond avec un impact probable sur le profil en long et la longueur de l'ouvrage). Ceci peut nécessiter une optimisation allant jusquau choix de l'emplacement et/ou la conception des échanges à l'extérieur de l'ouvrage.
Les équipements d'exploitation constituent par contre des paramètres dimensionnant des bâtiments techniques en tête de tunnel, des sous-stations notamment souterraines, de l'ensemble des locaux techniques souterrains, et des diverses niches. Ils nécessitent souvent des dispositions particulières de conditionnement d'air et de température.
Ils constituent également des paramètres importants en termes de coût de construction, d'exploitation et de maintenance.
Les « équipements d'exploitation » constituent aussi des paramètres fondamentaux au service de la sécurité. Ils doivent être conçus, construits et entretenus dans cet objectif :
disponibilité et fiabilité notamment de l'alimentation et la distribution en énergie, ainsi que de tous les réseaux de communication,
protection au feu des équipements et du cheminement des câbles d'alimentation et de transmission
robustesse des équipements pour garantir leur durée de vie, leur fiabilité et la réduction des opérations et coûts de maintenance,
faciliter les opérations de maintenance, leur faible impact sur les conditions de circulation, ainsi que la sécurité des intervenants et des usagers, par la conception et l'accessibilité à ces équipements,
intégration des procédures d'exploitation, et des plans d'intervention dans la conception du système de supervision, l'ergonomie des interfaces homme /machine, l'assistance à l'opérateur notamment en cas de crise.
1.1.5.1. Concept "Sécurité"
Fig. 1.1-5 : Facteurs qui ont un impact sur la sécurité
Les conditions de sécurité dans un tunnel résultent de nombreux facteurs comme présenté dans le chapitre Sécurité de ce Manuel. Assurer la sécurité nécessite de prendre en compte tous les aspects du système constitué par l'infrastructure elle-même, mais aussi l'exploitation et l'intervention, les véhicules, les usagers (cf. Fig. 1.1-5).
L'infrastructure est un paramètre essentiel en termes de coût de construction. Toutefois on peut investir beaucoup d'argent dans l'infrastructure sans améliorer les conditions de sécurité si des dispositions essentielles ne sont pas traitées en parallèle concernant :
l'organisation, les moyens et les procédures d'exploitation et d'intervention,
la formation et l'entraînement du personnel d'exploitation,
la dotation des services d'intervention en matériel performant, la formation et l'entrainement de leurs personnels,
la communication avec les usagers.
1.1.5.2. En quoi ces paramètres affectent-ils le projet d'un tunnel ?
Les paramètres relatifs à la sécurité peuvent affecter de façon plus ou moins importante le projet d'un tunnel. Les tableaux ci-dessous donnent quelques exemples.
Note : Les quatre tableaux ci-dessous font référence aux quatre domaines principaux représentés sur la figure 1.1-5.
La première colonne indique les principaux ouvrages ou actions concernés,
La deuxième colonne indique le degré d'influence sur le projet du tunnel (génie civil - ventilation - équipements de sécurité) :
Vert : aucun impact,
Jaune : impact moyen,
Rouge : important ou majeur.
La troisième colonne précise les principales natures ou causes d'influence.
Tableau 1.1.6 : Impacts principaux sur le projet dus à l'infrastructure
Issues et galeries de secours A l'intérieur du tunnel - Galerie parallèle indépendante - Connexion directe avec l'extérieur - Connexion entre les deux tubes
Accès des services de secours A partir d'un tube - Accès dédiés - Accès commun aux circuits d'évacuation
Nombre de personnes à évacuer Dimensions des ouvrages d'évacuation - Espacement des connexions avec le tunnel
Ventilation Concept de ventilation - Conditions particulières d'exploitation et de trafic rendant inapproprié un système de ventilation strictement longitudinale
TABLEAU 1.1-7 : IMPACTS PRINCIPAUX SUR LE PROJET DUS AUX CONDITIONS ET À L'ORGANISATION DE L'EXPLOITATION
Plan d'intervention des secours Signalisation - GTC et supervision - Communication avec les usagers
Equipes d'intervention Dimension des locaux de tête de tunnel - Eventuellement locaux spécifiques en tunnel - Moyens particuliers - Volume des réservoirs d'eau
Entraînement des équipes Equipements particuliers externes - Logiciels spécifiques de simulation
TABLEAU 1.1-8 : IMPACTS PRINCIPAUX DUS AUX VÉHICULES
Trafic moyen - Trafic heure de pointe Nombre de voies - Concept et dimensionnement de la ventilation
Transport de matières dangereuses (TMD) Impact sur le système de ventilation - Dispositifs particuliers de recueil des matières dangereuses liquides - Passage des TMD en convoi accompagné des pompiers --> parking d'attente et personnel d'accompagnement
Etat des véhicules Dans des cas particuliers, contrôle des dimensions des véhicules et de la surchauffe des organes mécaniques avant l'entrée en tunnel --> portique de contrôle des températures + parking d'attente + personnel
Restriction de passage à certaines catégories de véhicules Exemple: tunnel urbain dédié aux véhicules légers: géométrie, largeur de voies, hauteur libre, ventilation, issues de secours
Tableau 1.1-9 : Impacts principaux dus aux usagers de la route
USAGERS DU TUNNEL
Information Dépliants distribués avant l'entrée en tunnel - Campagne d'information TV
Communication continue Signalisation, PMV, transmission radio - Feux de signalisation et d'affectation des voies
Impact sur la section transversale, les équipements d'exploitation et de sécurité, la GCT et la supervision, éventuellement les barrières motorisées télécommandées
Formation Auto-écoles (dans de nombreux pays européens)
Guidage vers les issues de secours Signalisation - Main courante - Feux flash - Sonorisation
Impact sur les équipements d'exploitation et de sécurité, la GTC et la supervision
Contrôle de la vitesse et de l'espacement entre véhicules Contrôles de vitesse et d'interdistances entre véhicules
Impact sur les équipements d'exploitation, la GCT et la supervision
Un tunnel est un « système complexe ». Il en résulte notamment que :
n'aborder la conception d'un tunnel que sous le seul aspect du tracé, de la géologie ou du génie civil, conduit à des défauts graves de conception, qui sont de nature à rendre le tunnel peu sûr (voir dangereux) et difficile à exploiter (voir inexploitable dans des conditions raisonnables),
de même, n'aborder la conception d'un tunnel que sous le seul aspect des équipements d'exploitation sans intégrer l'analyse amont des problèmes de sécurité, d'intervention et d'exploitation, conduit également à des défauts de conception qui seront très rapidement mis à jour dès la mise en exploitation,
ne pas prendre en compte, dès la conception de l'ouvrage, l'ensemble des objectifs et contraintes relatifs à l'exploitation et à la maintenance, conduit inéluctablement à renchérir les coûts d'exploitation et à réduire la fiabilité de l'ouvrage.
Ce type d'approche partielle des problèmes est malheureusement fréquent, par défaut d'une « culture tunnel » suffisante des différents acteurs intervenant dans la conception.
La maîtrise de cette complexité est difficile, mais indispensable, afin de :
trouver la bonne solution à chacun des problèmes posés,
assurer pour les usagers le niveau de sécurité indispensable, et leur offrir un bon niveau de service et de confort.
De façon parallèle la maîtrise de cette complexité contribue bien souvent à l'optimisation technique et économique du projet, en définissant clairement les fonctions à assurer et en s'appuyant sur une démarche d'analyse de la valeur.
La prise en compte, dès l'origine du projet, des grands enjeux relatifs :
au tracé en plan et profil en long, à la géologie, aux dispositions constructives de génie civil,
à la ventilation,
à la sécurité (par une analyse préliminaire des risques et un plan préliminaire d'intervention),
aux conditions d'exploitation et de maintenance,
constitue une approche efficace pour résoudre cette équation complexe.
1.2. Études générales et conception (tunnel neuf)
1.2.1 Le tracé (tracé en plan et profil en long)
1.2.2 Le profil en travers fonctionnel
1.2.3 La Sécurité et l'exploitation
1.2.4 Les équipements d'exploitation
Ce paragraphe concerne la conception des tunnels neufs. Les études concernant la rénovation ou la mise en sécurité des tunnels en exploitation fait l'objet du paragraphe Rénovation – Remise à niveau des tunnels existants.
La conception du tracé en plan et du profil en long d'une section de route ou d'autoroute qui comporte un tunnel constitue une première étape majeure et fondamentale dans la création d'un nouveau tunnel, à laquelle il est rarement apporté toute l'attention nécessaire.
La prise en compte du « système complexe » que constitue un tunnel doit démarrer dès la conception du tracé en plan et du profil en long, ce qui est assez peu souvent le cas. C'est également à cette étape que les optimisations techniques et financières sont les plus importantes.
Il est indispensable de mobiliser dès la première étape des études une équipe multidisciplinaire composée d'experts et de concepteurs très expérimentés, qui permettront de cerner tous les problèmes potentiels propres au projet concerné, malgré des informations préliminaires toujours incomplètes, et de prendre les bonnes décisions pour les orientations majeures, puis de consolider ces éléments au fur et à mesure de la disponibilité des informations complémentaires.
L'objectif de ce paragraphe n'est pas de définir les règles en matière de conception du tracé d'un tunnel (les manuels de conception d'un certain nombre de pays sont référencés au paragraphe Réglementations – Recommandations) mais essentiellement de sensibiliser les maîtres d'ouvrage et les concepteurs sur la nécessité d'une approche globale et multiculturelle, dès l'amont des études, et sur l'importance de l'expérience indispensable à la réussite du projet.
1.2.1.1 Pays ne disposant pas d'une "culture tunnel"
Dans ces pays on constate une certaine appréhension des maîtres d'ouvrage et des concepteurs vis-à-vis des tunnels. Ceux-ci préfèrent bien souvent des « tracés acrobatiques » passant par les crêtes, comportant des fortes pentes, des ouvrages de soutènement importants ou des viaducs de grande longueur, et parfois des travaux de consolidation énormes, très onéreux et pas toujours efficaces dans le temps, pour traverser des secteurs de glissements actifs de terrain.
De très nombreux exemples de projets de base comportant des tunnels et de variantes de tracé élaborées avec une approche globale « système » montrent que, par rapport à des approches refusant systématiquement des tunnels :
les économies sur les coûts de construction peuvent atteindre entre 10% et 25% dans des zones au relief accidenté,
des économies importantes peuvent être faites sur les coûts d'exploitation et de maintenance: la fiabilité de l'itinéraire peut être renforcée, notamment dans les zones sujettes à des glissements actifs de terrain, ou à des conditions climatiques sévères,
l'impact sur l'environnement est réduit de façon très significative,
le niveau de service pour les usagers est amélioré, et les conditions d'exploitation, notamment hivernales (dans les pays soumis aux chutes de neige) sont fiabilisées par la réduction des pentes nécessitées par des passages de crête.
L'assistance d'une expertise extérieure permet de suppléer à cette insuffisance de « culture tunnel », et d'améliorer de façon conséquente le projet.
1.2.1.2 Pays ayant une tradition de construction et d'exploitation de tunnels
La notion de « système complexe » est rarement intégrée en amont, au détriment d'une optimisation globale du projet. Trop souvent la « géométrie » de la nouvelle infrastructure est fixée par des spécialistes du tracé sans aucune intégration de l'ensemble des contraintes et composantes tunnel.
Or dès cette étape il est indispensable de prendre en compte l'ensemble des paramètres et interfaces décrits au paragraphe 1.1 ci-dessus, et notamment :
la géologie et l'hydrogéologie générale du massif (au niveau de connaissance disponible) ainsi que l'appréciation préliminaire des difficultés géologiques et des risques potentiels sur les méthodes, les coûts et les délais de construction,
les conditions géomécaniques, hydrogéologiques, hydrographiques potentielles aux têtes de tunnel et tout au long des accès,
les risques et aléas liés aux conditions hivernales pour les pays soumis à de fortes chutes de neige, notamment :
les risques d'avalanche ou de formation de congères et les possibilités de se prémunir contre ces risques,
les conditions de maintenance des routes d'accès par fortes chutes de neige pour garantir la fiabilité de l'itinéraire (cette disposition peut conditionner la cote altimétrique des têtes de tunnel, les pentes maximales des routes d'accès, et le cas échéant la place disponible pour aménager des aires de chaînage et de déchaînage au voisinage des têtes),
les conditions environnementales en tête de tunnel et sur les accès. L'impact peut être très fort en milieu urbain (notamment du fait du bruit et des rejets d'air pollué) et pour les tunnels interurbains,
la pente des rampes d'accès :
le tunnel le moins cher n'est pas forcément le tunnel le plus court,
la suppression d'une voie spéciale pour les véhicules lents est difficile à gérer au voisinage d'une tête de tunnel, et le maintien d'une voie de cette nature dans un tunnel est en général très coûteux,
la pente des accès peut avoir un impact très fort sur la capacité de l'itinéraire en volume de trafic, ou en fiabilité hivernale.
la possibilité de pouvoir disposer de « fenêtres » d'accès latéral (ventilation - évacuation et sécurité - réalisation des travaux dans des délais plus courts), ou de puits d'accès verticaux ou inclinés (ventilation - évacuation et sécurité) :
ces points d'accès particuliers, leur impact en surface (notamment en milieu urbain : place disponible, sensibilité au rejet d'air pollué, etc.), la pérennité de leur accessibilité (ex : exposition aux avalanches) peuvent constituer des contraintes importantes de calage du tracé et du profil en long ; a contrario ils contribuent bien souvent à l'optimisation du coût de construction et d'exploitation des ouvrages,
ces points d'accès particuliers peuvent avoir un impact majeur sur les coûts de construction et d'exploitation, sur la dimension de la section transversale (optimisation potentielle de la ventilation et des évacuations),
les méthodes de construction qui peuvent avoir un impact majeur sur la conception du tracé et du profil en long :
une traversée sous fluviale avec un tunnel foré constitue un projet fondamentalement différent de celui d'une solution par caissons préfabriqués immergés,
interfaces avec un viaduc en tête de tunnel,
les délais de construction imposés peuvent avoir un impact direct sur le tracé, notamment pour permettre des attaques aux deux têtes de tunnel ainsi que des attaques intermédiaires,
les caractéristiques géométriques de tracé en plan et de profil en long en tunnel, pour lesquelles il est également nécessaire d'intégrer les éléments suivants :
limitation des pentes, qui ont un impact majeur sur les besoins en ventilation, et la capacité en volume de trafic de l'ouvrage,
les conditions hydrauliques d'évacuation des eaux souterraines en travaux comme en exploitation, qui influent sur le profil en long,
les dégagements latéraux réduits (sauf à réaliser des sur-largeurs coûteuses) qui nécessitent un examen particulier des conditions de visibilité et une vigilance particulière dans le choix des rayons du tracé en plan,
le choix judicieux des rayons de tracé en plan afin d'éviter les basculements de dévers, et les impacts très importants qui en résultent sur les réseaux de collecte et d'évacuation des eaux de chaussée, les interfaces avec l'ensemble des réservations de passage des câbles des réseaux d'incendie, voire même parfois la nécessité d'augmenter la section transversale,
toutes les contraintes classiques liées à l'occupation du sous-sol essentiellement en milieu urbain : métro, parkings, fondations, constructions sensibles aux tassements,
les coûts de construction et d'exploitation :
l'ouvrage le moins cher n'est pas nécessairement l'ouvrage le plus court,
un investissement complémentaire en génie civil peut être globalement plus économique sur la durée s'il permet une réduction des coûts de construction, d'exploitation, de maintenance et de grosses réparations (notamment ventilation), ou s'il permet de repousser de plusieurs années la saturation de l'ouvrage (impact de la pente en tunnel et des accès rapprochés sur le volume de trafic)
la coordination tracé en plan / profil en long doit faire l'objet d'un soin particulier en tunnel pour favoriser le niveau de confort et de sécurité des usagers (l'effet visuel des changements de pente en profil en long, notamment en point haut, est accusé par le champ visuel limité du tunnel et par les dispositifs d'éclairage),
les conditions d'exploitation en circulation unidirectionnelle ou bidirectionnelle sont à prendre en compte dans la conception du tracé notamment :
les conditions classiques de visibilité et de lisibilité,
la possibilité de trouver des accès latéraux ou verticaux pour notamment l'optimisation de la ventilation et de la section transversale, ou la sécurité (évacuation des usagers et accès des secours en évitant la construction d'une galerie parallèle),
le tracé au voisinage des têtes :
les têtes de tunnel constituent un point singulier de transition, et il est nécessaire de tenir compte du comportement humain et des conditions physiologiques ; il est indispensable de maintenir une continuité géométrique pour permettre à l'usager de conserver sa trajectoire instinctive,
un tunnel rectiligne n'est pas souhaitable, notamment à l'approche de la tête de sortie ; dans le cas contraire il peut être indispensable de renforcer l'éclairage de sortie sur une grande longueur,
les échangeurs souterrains ou au voisinage immédiat des têtes de tunnel :
les échanges en souterrain ou à l'extérieur au voisinage immédiat des têtes sont à éviter,
dans le cas où ils sont indispensables, une analyse très détaillée doit être faite pour déterminer toutes les contraintes et conséquences particulières à prendre en compte (tracé, profil en travers, insertion, risque de reflux de circulation, évacuation, ventilation, éclairage, etc.) pour assurer la sécurité en toutes circonstances.
1.2.2.1 Les enjeux
Le profil en travers fonctionnel constitue la seconde étape majeure de la conception d'un tunnel après celle du tracé en plan et en profil en long. Comme pour la première étape l'approche « système complexe » doit être prise en compte de manière très attentive, le plus en amont possible, avec une équipe pluridisciplinaire expérimentée, en tenant compte de l'ensemble des paramètres et interfaces décrits au paragraphe Un tunnel est un système complexe ci-dessus.
Cette seconde étape (profil en travers fonctionnel) n'est pas indépendante de la première étape (tracé) et elle doit bien évidemment prendre en compte les dispositions qui en résultent. Les deux étapes sont interdépendantes et très étroitement liées.
De plus, comme mentionné au Paragraphe 1.1.2.2 ci-dessus, le processus des deux premières étapes est itératif et interactif. Il n'y a pas d'approche mathématique directe pour apporter une réponse unique à l'analyse du « système complexe ». Il n'y a pas non plus d'unicité de réponse mais un nombre très limité de bonnes réponses et un grand nombre de mauvaises réponses. L'expérience de l'équipe multidisciplinaire est essentielle pour faire émerger rapidement la bonne solution.
Les exemples cités au Paragraphe 1.2.1 ci-dessus montrent bien que les dispositions du « profil en travers fonctionnel » peuvent avoir un impact majeur sur la conception du tracé en plan et du profil en long.
L'expérience montre malheureusement que cette analyse « profil en travers fonctionnel » est bien souvent incomplète et limitée aux seules dispositions de génie civil, ce qui se traduit inéluctablement :
au mieux, par un projet non optimisé du point de vue fonctionnel, opérationnel et financier ; l'expérience montre des optimisations potentielles pouvant atteindre dans des cas exceptionnels 20% des coûts de construction,
dans le cas le plus fréquent, par une mauvaise prise en compte des fonctions, de leurs contraintes et de leur impact sur le projet de l'ouvrage ; ces fonctions seront à intégrer dans les étapes suivantes du projet en mettant en œuvre des solutions tardives et parfois très coûteuses,
au pire des cas, par des erreurs fondamentales de conception avec un impact irrémédiable et permanent sur l'ouvrage, ses conditions d'exploitation et de sécurité, ainsi que ses coûts de réalisation et d'exploitation.
1.2.2.2 Les dispositions principales
Les paramètres majeurs du « profil en travers fonctionnel » sont les suivants :
le volume du trafic, nature du trafic, mode d'exploitation, urbain ou non urbain, pour déterminer:
nombre et largeur des voies, selon le trafic et le type de véhicules admis en tunnel,
hauteur libre (selon le type de véhicules),
bandes dérasées, bandes d'arrêt ou garages, selon le volume de trafic, le mode d'exploitation en circulation unidirectionnelle ou bidirectionnelle, le taux statistique de pannes,
séparateur central éventuel et sa largeur en cas d'exploitation bidirectionnelle
la ventilation a un impact majeur qui dépend :
du système de ventilation retenu, lui-même dépendant de nombreux autres paramètres (voir paragraphe Ventilation),
de l'espace nécessaire pour les gaines de ventilation, de celui nécessaire à l'installation des ventilateurs, accélérateurs, carneaux de ventilation, et autres équipements de ventilation,
l'évacuation des usagers et les accès des secours, qui dépendent de très nombreux facteurs détaillés au chapitre Ouvrages spécifiques nécessaires à l’exploitation et la sécurité
la longueur et la pente du tunnel, paramètres qui interviennent de façon indirecte par le biais de la ventilation, des concepts d'accès et de secours,
les réseaux et équipements d'exploitation sont également bien souvent déterminants dans le dimensionnement du profil en travers fonctionnel, compte tenu de leur nombre, de leur encombrement, des protections indispensables associées pour garantir la sécurité de fonctionnement de l'ouvrage, et de l'espace relativement limité sous les trottoirs et bandes dérasées pour les implanter. Sont en particulier concernés les réseaux suivants qui ont un impact dimensionnel :
réseau(x) d'assainissement séparatif(s) ou non, collecte des liquides déversés sur les chaussées et siphons associés ; l'absence de variation de dévers associée aux conditions du tracé en plan (cf. § 1.2.1.2) permet une simplification et une optimisation du profil en travers fonctionnel,
réseau d'eau de lutte contre l'incendie et bornes d'incendie, et le cas échéant leur protection contre le gel,
tous les réseaux de câbles haute et moyenne tension, ainsi que les courants faibles. Il est indispensable de prendre en compte les câbles nécessaires au moment de la mise en service du tunnel et leur protection contre un incendie, ainsi que les dispositions permettant le remplacement partiel ou total de ceux-ci, et l'adjonction inéluctable d'autres réseaux tout au long de la vie de l'ouvrage,
les besoins particuliers à court ou moyen terme des réseaux extérieurs susceptibles de transiter par le tunnel,
toutes les interactions entre réseaux et nécessités (techniques et réglementaires) d'inter distance entre certains réseaux,
l'ensemble de la signalisation d'exploitation : feux d'affectation de voies, panneaux à messages variables, signalisation de prescription, signalisation de sécurité, signalisation directionnelle,
les interfaces fonctionnelles localisées : sous-stations souterraines, usines de ventilation souterraines, niches de sécurité, abris, etc. ; il est indispensable de prendre en compte les dispositions d'exploitation et de maintenance et notamment la construction d'espaces de stationnement pour les opérations de maintenance
les méthodes de construction et les conditions de géologie ont un impact sur le profil en travers fonctionnel (indépendamment du dimensionnement des structures de génie civil); à titre d'illustration :
exemple de traversée sous-fluviale mentionné en 1.2.1.2 ci-dessus : la solution caissons préfabriqués immergés permet une conception très différente des installations de ventilation ainsi que des galeries d'évacuation ou de l'accès des secours, par rapport à ces mêmes équipements qui résulteraient d'une solution de franchissement avec un tunnel foré,
un tunnel réalisé au tunnelier rend disponibles des surfaces sous chaussée qui peuvent être utilisées par exemple pour la ventilation, l'évacuation et l'accès des secours. Ceci peut permettre des optimisations (suppression des galeries inter-tubes ou de galeries parallèles) qui peuvent être financièrement importantes si le tunnel est situé sous le niveau de la nappe phréatique dans des matériaux perméables.
1.2.3.1 Dispositions générales
Les recommandations de l'AIPCR sont très nombreuses dans le domaine de la sécurité et de l'exploitation pour la mise au point des études de sécurité, l'organisation de l'exploitation et des secours, ainsi que les dispositions propres à l'exploitation, et le lecteur est invité à s'y reporter: voir les chapitre Sécurité et chapitre Facteurs humains concernant la sécurité.
Le présent paragraphe traite essentiellement des interfaces sécurité / exploitation au sein du « système complexe ». Les tableaux du chapitre 1.1.5.2 ci-dessus indiquent le degré d'interdépendance de chacun de ces paramètres par rapport aux divers sous-ensembles du projet.
Un certain nombre de paramètres ont un impact majeur dès les étapes amont du projet. Ils doivent être analysés dès les premières phases d'études et concernent notamment :
volume de trafic, nature du trafic (urbain, non urbain), type de véhicules (éventuellement tunnel dédié à une catégorie de véhicules), transport ou non de marchandises dangereuses,
évacuation des usagers et accès des secours,
communication avec les usagers, système de supervision.
Ces paramètres majeurs pour la conception du tunnel sont également les facteurs essentiels entrant dans les analyses des risques et des esquisses des « plans d'intervention des secours ». C'est la raison pour laquelle il est indispensable qu'une « étude préalable des risques », associée à une analyse préalable de « plan d'intervention des secours » soit réalisée dès les études amont. Cette analyse permet de mieux décrire les spécificités de l'ouvrage concerné, le cahier des charges fonctionnel et les enjeux spécifiques de sécurité auquel il doit satisfaire. Elle contribue également à l'analyse de la valeur de la conception de l'ouvrage et à son optimisation tant technique que financière.
Ces paramètres et leurs impacts sont détaillés dans les paragraphes suivants.
1.2.3.2 Paramètres relatifs au trafic et à sa nature
Ces paramètres ont principalement un impact sur le « profil en travers fonctionnel » (cf. 1.2.2), et par son intermédiaire un impact partiel sur le « tracé ».
Le volume de trafic concerne le nombre de voies, la ventilation et les évacuations. Il concerne également l'impact des pannes et la gestion des véhicules à l'arrêt : nécessité ou non de disposer de bandes d'arrêt d'urgence, de garages, d'organiser des dispositions spécifiques d'intervention,
La nature du trafic, le type des véhicules et leur répartition concernent les galeries d'évacuation, leur dimensionnement, les inter-distances en fonction du volume de personnes à évacuer,
Les tunnels dédiés à des catégories particulières de véhicules concernent la largeur des voies, la hauteur libre et la ventilation,
Le passage ou non de marchandises dangereuses a un impact très important sur la ventilation, le « profil en travers fonctionnel », les dispositifs de recueil des liquides, les itinéraires de déviation, l'environnement des têtes de tunnel ou des cheminées de ventilation, la protection des structures de génie civil contre les conséquences d'un incendie de forte puissance, ainsi que sur les évacuations et l'organisation des secours, et la dotation des centres de secours en moyens spécifiques.
1.2.3.3 Evacuation des usagers - accès des secours
Il s'agit d'un paramètre fondamental concernant les dispositions fonctionnelles et la conception générale. Ce paramètre a également souvent une incidence sur le tracé (issues directes vers l'extérieur) et les dispositions constructives : communications entre tubes, galerie dénivelée, galerie parallèle, abris (ou refuges) temporaires connectés à une galerie.
Son analyse nécessite une approche croisée approfondie avec la conception de l'installation de ventilation (notamment ventilation incendie), le volume de trafic, les analyses des risques, les esquisses de plans d'intervention des secours (notamment analyse des scénarios ventilation / intervention), et le mode de construction de l'ouvrage.
Il est nécessaire du point de vue fonctionnel de définir les cheminements, leurs caractéristiques géométriques et les inter-distances afin d'assurer les débits pour les personnes valides et les personnes à mobilité réduite.
Il est indispensable de s'assurer de l'homogénéité, de la lisibilité et du caractère accueillant et tranquillisant de ces installations. Elles sont utilisées par les usagers en situation de stress (accident - incendie), lors de la phase d'auto-secours (avant l'arrivée des secours extérieurs). Leur utilisation doit présenter un caractère naturel, simple, efficace et tranquillisant afin d'éviter la transformation de l'état de stress en état de panique.
1.2.3.4 Ventilation
Les installations de ventilation dotées d'un système de « ventilation longitudinale » ont un impact assez limité sur le « profil en travers fonctionnel » ou sur le « tracé ».
Ceci n'est le cas ni des installations de « ventilation longitudinale » dotée d'une gaine d'extraction des fumées, ni des systèmes de ventilation « transversale », « semi-transversale », « semi-longitudinale », « mixte » ou de systèmes de ventilation comportant des puits ou des galeries intermédiaires permettant de puiser ou de rejeter de l'air vers l'extérieur en dehors des têtes de tunnel. Toutes ces installations ont un impact très important sur le « profil en travers fonctionnel », le « tracé » et l'ensemble des ouvrages souterrains annexes.
L'installation de ventilation de la zone de circulation des véhicules a essentiellement pour objet :
d'assurer les conditions d'hygiène à l'intérieur du tunnel en apportant une dilution de la pollution pour conserver les concentrations à un niveau inférieur à celui requis par les recommandations ou les réglementations nationales,
d'assurer les conditions de sécurité des usagers en tunnel dans le cas d'un incendie, jusqu'à leur mise en sécurité en dehors de l'espace circulé, par la mise en œuvre d'un désenfumage efficace.
Cette installation de ventilation peut également présenter des fonctions complémentaires :
limiter la pollution en tête de tunnel, en assurant une meilleure dispersion de l'air pollué, ou par un traitement d'air préalable à son rejet,
comporter des stations souterraines de traitement de l'air pollué en vue de sa réutilisation au sein du tunnel (installations présentes dans des tunnels urbains ou des tunnels de très grande longueur - technologies complexes, coûteuses, nécessitant en général beaucoup d'espace, et un entretien important),
en cas d'incendie, contribuer à limiter la température en tunnel et la dégradation des structures par des effets thermiques.
L'installation de ventilation n'est pas limitée à la seule zone de circulation des véhicules. Elle concerne également :
les galeries d'interconnexion entre tubes,
les galeries d'évacuation ou abris utilisés par les usagers en cas d'évacuation,
les locaux techniques souterrains, ou situés aux têtes de tunnel, qui peuvent nécessiter un renouvellement d'air, ou une maîtrise du niveau de température (chauffage - climatisation selon les conditions géographiques).
Une installation de ventilation doit être conçue afin de pouvoir :
s'adapter de façon dynamique et rapide aux très nombreux modes de fonctionnement auxquels elle soumise :
contraintes climatiques et notamment différentiel de pression important et fluctuant pour les grands tunnels de montagne,
régimes de fonctionnement variables pour la gestion des fumées lors d'un incendie, en fonction notamment du développement de l'incendie, puis de sa régression, ainsi que tout au long de l'incendie pour pouvoir s'adapter aux stratégies évolutives mises en œuvre en fonction des étapes d'évacuation, de lutte contre l'incendie, de préservation des structures, etc.
présenter assez de capacité d'évolution de façon à pouvoir s'adapter tout au long de la vie du tunnel aux évolutions du trafic (volume - nature), à l'abaissement des seuils de pollution admissible, aux conditions diverses d'exploitation.
1.2.3.5 Communication avec les usagers - supervision
La communication avec les usagers a un impact essentiellement sur le « profil en travers fonctionnel » à travers la signalisation.
Les autres impacts majeurs ne concernent pas l'ensemble du « système complexe ». Ils concernent le sous-système des équipements d'exploitation, et notamment la télésurveillance, la détection, les radiocommunications, la gestion du trafic, les installations de contrôle et de supervision, ainsi que l'organisation des évacuations.
1.2.3.6 Les besoins propres à l'exploitation
L'exploitation d'un tunnel et l'intervention des équipes de maintenance peuvent nécessiter la réalisation de dispositions particulières pour permettre les interventions en toute sécurité et réduire les restrictions de circulation. Ces dispositions concernent par exemple des garages au droit des installations souterraines nécessitant des interventions régulières de maintenance, l'accessibilité aux matériels pour leur remplacement et leur maintenance (en particulier matériel lourd ou encombrant).
Le présent paragraphe n'a pas pour objet de décrire de façon détaillée les équipements d'exploitation, leur fonction ou leur conception. Ces éléments sont définis dans les recommandations du présent « Manuel des Tunnels Routiers », ainsi que dans les dossiers pilotes, ou recommandations nationales listées au paragraphe Réglementations – Recommandation ci-après.
Le présent paragraphe est destiné à attirer l'attention des maîtres d'ouvrages et des concepteurs sur les enjeux particuliers propres aux équipements d'exploitation d'un tunnel.
1.2.4.1 Les choix stratégiques
Les équipements d'exploitation doivent permettre au tunnel de remplir sa fonction de passage du trafic, et de répondre à la double mission d'assurer le confort et la sécurité des usagers à l'intérieur du tunnel.
Les équipements d'exploitation doivent être adaptés à la fonction de l'ouvrage, sa localisation géographique, ses caractéristiques intrinsèques, la nature du trafic qu'il accueille, aux infrastructures aval et amont, aux grands enjeux relatifs à la sécurité et à l'organisation des secours, ainsi qu'à la réglementation et à l'environnement culturel et socio-économique du pays dans lequel le tunnel est situé.
Une pléthore d'équipements d'exploitation ne contribue pas automatiquement à l'amélioration du niveau de service, de confort et de sécurité d'un tunnel. Elle nécessite une maintenance accrue, des moyens plus importants, qui, s'ils ne sont pas mis en œuvre, peuvent conduire à réduire la fiabilité du tunnel et son niveau de sécurité. La juxtaposition ou l'abus de gadgets sont également inutiles. Les équipements doivent être adaptés, complémentaires, parfois redondants (pour les fonctions essentielles de sécurité), et former un tout cohérent.
Les équipements d'exploitation sont « vivants » :
ils nécessitent un entretien et une maintenance rigoureux, récurrents, et adaptés à leur niveau de technologie. Cette maintenance a un coût et nécessite des moyens humains compétents, ainsi que des moyens financiers récurrents et adaptés tout au long de la vie de l'ouvrage. L'absence de maintenance (ou une maintenance insuffisante) conduit à des dysfonctionnements majeurs, à la défaillance des équipements, et par voie de conséquence à la mise en cause de la fonction de l'ouvrage et de la sécurité des usagers l'utilisant. La maintenance des équipements sous circulation est parfois difficile et très contraignante. Les dispositions doivent être envisagées dès la conception des installations. A cet effet « l'architecture » des systèmes, leur installation doivent être conçues pour limiter l'impact des dysfonctionnements sur la disponibilité et la sécurité de l'ouvrage, ainsi que celui relatif aux interventions d'entretien, de maintenance ou de rénovation des systèmes,
leur « durée de vie » est variable : d'une dizaine d'années à une trentaine d'années selon leur nature, leur robustesse, les conditions auxquelles ils sont soumis, ainsi que l'organisation et la qualité de la maintenance. Ils doivent donc être remplacés de façon régulière, ce qui nécessite des financements adéquats, (voir les rapports techniques 2012R14FR "Considérations sur le cycle de vie des équipements électriques des tunnels routiers" et 2016R01FR "Bonnes pratiques pour l'analyse du cycle de vie des équipements des tunnels routiers").
l'évolution technologique rend bien souvent indispensable le remplacement des équipements qui comportent des technologies avancées, du fait de l'obsolescence technologique et de l'impossibilité de se procurer des pièces de rechange,
les équipements doivent faire preuve d'adaptabilité pour tenir compte de l'évolution de l'ouvrage et de son environnement.
Toutes ces considérations conduisent à un certain nombre de choix stratégiques dont les principaux sont les suivants :
définir les équipements nécessaires en fonction des besoins réels de l'ouvrage, sans céder à la tentation d'accumuler les gadgets. L'analyse des risques associée à une analyse de la valeur sont des outils permettant la rationalité du choix des équipements nécessaires. Cette démarche permet également de mieux maîtriser la complexité des systèmes, qui est bien souvent source de retards, de surcoût et de dysfonctionnements majeurs si cette complexité n'a pas été maîtrisée par une organisation rigoureuse et compétente,
privilégier la qualité et la robustesse des équipements pour réduire les opérations de maintenance et les difficultés d'intervention sous circulation. Cela peut se traduire par un léger surcoût d'investissement mais celui-ci est très largement compensé en exploitation,
vérifier la performance des équipements à toutes les étapes de conception, fabrication, réception en usine, puis sur le site. L'expérience montre que de nombreuses installations sont défectueuses et ne satisfont pas aux objectifs par défaut d'organisation rigoureuse, notamment des contrôles,
choisir des technologies adaptées aux conditions climatiques et environnementales auxquelles les équipements seront soumis, ainsi qu'aux conditions socioculturelles (déficience du concept de maintenance dans certains pays), technologiques, techniques et à l'organisation des services,
prendre en compte, dès la conception des installations et le choix des matériels, les coûts d'exploitation, et en particulier les coûts en énergie. Ces coûts sont récurrents tout au long de la vie de l'ouvrage. Les installations de ventilation et d'éclairage sont en général les plus consommatrices en énergie. Une attention particulière doit être portée à cet aspect dès la conception de l'ouvrage,
prendre en compte dès la conception et l'analyse du financement de l'ouvrage :
la nécessité de mettre en œuvre, d'organiser et de former des équipes dédiées d'une part à l'exploitation et à l'intervention, et d'autre part à l'entretien et la maintenance,
les contraintes d'intervention pour la maintenance,
les coûts qui en résultent,
prendre en compte dans l'organisation générale d'une nouvelle opération, les délais nécessaires au recrutement des équipes, à leur formation, à la « marche à blanc » de tous les systèmes pendant une période de 2 à 3 mois avant leur mise en service, aux entraînements et manœuvres sur site avec l'ensemble des intervenants extérieurs (notamment services de secours) pour les familiariser avec les particularités du tunnel.
1.2.4.2 Recommandations clefs concernant les principaux équipements
1.2.4.2.a Énergie - sources de courant - distribution électrique
Les sources d'énergie sont indispensables au fonctionnement des équipements. Les grands tunnels peuvent nécessiter une puissance de plusieurs MW (mégawatts) qui n'est pas toujours disponible sur site. Des dispositions particulières doivent être prises dès le début de la conception de l'ouvrage pour permettre la mise en œuvre du renforcement et de la fiabilisation des réseaux existants, ou souvent de la création de nouveaux réseaux. L'alimentation en énergie est nécessaire à l'exploitation de l'ouvrage. Elle est également nécessaire à la construction de l'ouvrage.
L'alimentation en énergie électrique et sa distribution à l'intérieur du tunnel doivent satisfaire à :
des besoins de puissance électrique,
une fiabilité d'approvisionnement,
une distribution d'énergie fiable, redondante et protégée : redondance et bouclage des réseaux de distribution - transformateurs en parallèle - cheminement des câbles sous fourreaux et dans des chambres protégées contre l'incendie.
Chaque tunnel correspond à un cas particulier, et doit faire l'objet d'une analyse spécifique en fonction de sa position géographique, du contexte des réseaux électriques existants, des conditions d'alimentation prioritaires ou non, des possibilités d'augmenter ou non la puissance et la fiabilité des réseaux publics existants, des risques propres au tunnel ainsi que des conditions d'intervention des secours.
Les installations doivent ensuite être conçues en conséquence, et les procédures d'exploitation organisées en fonction de la fiabilité du système et des choix qui ont été pris lors de la conception.
Les objectifs en matière de sécurité, en cas de coupure de l'alimentation électrique sont les suivants :
alimentation secourue immédiatement et sans coupure de tous les équipements de sécurité suivants pendant une durée de l'ordre d'une demi-heure à une heure (selon tunnel et conditions d'évacuation) :
éclairage minimal - signalisation - télésurveillance - télécommunications - gestion technique centralisée et supervision - capteurs et détecteurs divers (pollution - incendie - incidents - etc.) - niches de sécurité - chemins d'évacuation - abris;
cette fonction est assurée très couramment par des ensembles de batteries onduleurs, et parfois par des groupes électrogènes à « temps zéro »,
selon les tunnels, leur localisation urbaine ou non, les risques encourus, des objectifs complémentaires de CME (Conditions Minimales d'Exploitation) peuvent être fixés pour assurer l'alimentation électrique des installations moyennant la mise en œuvre de procédures spécifiques pendant toute la durée de la coupure d'alimentation en énergie. A titre d'exemple : alimentation secourue de la ventilation (par groupe électrogène ou une alimentation extérieure partielle) permettant de faire face à un incendie de véhicules légers, mais pas à un incendie de poids lourds : le passage des poids lourds est alors temporairement suspendu.
Les dispositions couramment mises en œuvre pour l'alimentation en énergie sont les suivantes :
Alimentation secourue à partir du réseau public :
2 voir 3 alimentations à partir du réseau public maillé, avec des raccordements à des segments différents du réseau haute tension ou moyenne tension. Basculement automatique « alimentation normale » / « alimentation secourue » à l'intérieur des installations du tunnel avec le cas échéant consigne de délestage d'une partie des installations, si l'alimentation dégradée externe est insuffisante,
pas de groupe électrogène,
installation d'un système secouru par « batterie onduleur ».
Alimentation non secourue à partir du réseau public :
une seule alimentation externe à partir du réseau public,
groupes électrogènes susceptibles de fournir une partie de la puissance en cas de rupture de l'alimentation extérieure et mises en œuvre de CME accompagnées de procédures ad hoc,
Autonomie complète de l'alimentation :
le réseau public n'est pas capable de fournir la puissance requise, ni la fiabilité nécessaire. Le tunnel est alors placé en autonomie complète. L'énergie est fournie par un ensemble de groupes électrogènes en fonctionnement parallèle. Un groupe additionnel est installé pour faire face à la défaillance de l'un des groupes,
installation le cas échéant d'un système secouru par « batterie onduleur », si le niveau de fiabilité de l'ensemble des groupes électrogène est considéré comme insuffisant, ou pour des motifs de sécurité.
1.2.4.2.b Ventilation
Les recommandations de l'AIPCR sont très nombreuses dans ce domaine, et constituent au niveau international la référence essentielle pour la conception et le dimensionnement des installations de ventilation. En complément de ce qui figure ci-avant au Paragraphe 1.2.3.4, le lecteur se reportera à cet effet au paragraphe Ventilation ci-après.
Il convient toutefois de rappeler qui si la ventilation constitue l'un des équipements essentiels pour assurer la santé, le confort et la sécurité des usagers dans un tunnel, elle ne constitue que l'un des maillons du système, dont les usagers, les opérateurs et les moyens d'intervention et de secours constituent les éléments les plus importants par leur comportement, leurs compétences et leur capacité d'action.
La ventilation seule ne peut pas répondre à tout, ni satisfaire à toutes les fonctions dont on aurait tendance à l'affubler, notamment en matière de traitement de l'air et de protection de l'environnement.
La pertinence du choix d'une installation de ventilation et de son dimensionnement nécessite une longue expérience, la compréhension des phénomènes complexes de mécanique des fluides en milieu confiné, associés aux étapes successives du développement d'un incendie, à la propagation, la radiation et aux échanges thermiques, ainsi qu'au développement et la propagation des gaz toxiques et des fumées.
Les systèmes de ventilation sont en général consommateurs d'énergie et une attention toute particulière doit être portée à l'optimisation de leur dimensionnement et de leur exploitation, à l'aide par exemple de systèmes experts.
Les installations de ventilation peuvent être très complexes, et leur bonne gestion en cas d'incendie peut nécessiter la mise en œuvre de systèmes automatisés permettant de maîtriser beaucoup plus rapidement la situation que ne serait susceptible de le faire un opérateur soumis à une situation de stress.
Comme rappelé au paragraphe 1.2.3.4 ci-dessus, l'installation de ventilation doit avant tout répondre à des besoins relatifs aux conditions de santé et d'hygiène dans les conditions normales d'exploitation, et à des objectifs de sécurité en cas d'incendie.
La robustesse, la fiabilité, l'adaptabilité, la longévité et l'optimisation de la consommation en énergie constituent des critères de qualité majeurs auxquels doit satisfaire une installation de ventilation.
1.2.4.2.c Equipements annexes aux installations de ventilation
Deux types d'équipements annexes à la ventilation font souvent l'objet de demandes pressantes de la part des collectivités, des groupes de défense de riverains ou de lobbies :
Systèmes fixes de lutte contre l'incendie.
A. Les installations de traitement de l'air.
Le paragraphe Impact du tunnel sur la qualité de l’air extérieur traite de cette question et le lecteur est invité à s'y reporter.
L'installation de systèmes de traitement de l'air fait l'objet de demandes récurrentes de la part des groupes de défense de riverains dans les zones urbaines. Ces systèmes, installés en souterrain, sont très coûteux tant pour leur construction que pour leur exploitation et leur maintenance. Ils sont très consommateurs d'énergie.
Les résultats sont loin d'être très convaincants, compte tenu notamment de la réduction importante des émissions de pollution à la source (c'est-à-dire sur les véhicules), et de la difficulté pour ces systèmes de traiter les concentrations très faibles de polluants qui sont insérés en tunnel dans des volumes d'air très importants. Il s'ensuit que de nombreux systèmes installés depuis une dizaine d'années ne sont plus en fonctionnement.
L'avenir de ce type de système est très incertain dans les pays où la réglementation est de plus en plus contraignante et impose un traitement à la source de plus en plus rigoureux des émissions polluantes.
B. Les systèmes fixes de lutte contre l'incendie.
Le paragraphe Systèmes fixes de lutte contre l’incendie traite de cette question complexe, et le lecteur est invité à s'y reporter.
Les technologies sont multiples, et répondent à des critères assez diversifiés:
lutte contre l'incendie (circonscription du foyer)
réduction du rayonnement thermique et du niveau de température pour les usagers situés dans le voisinage de l'incendie
préservation de la structure de l'ouvrage contre les dégradations dues aux températures élevées).
Ces systèmes, s'ils présentent des aspects positifs, présentent également des aspects négatifs liés notamment à la dégradation des conditions de visibilité s'ils sont mis en œuvre dès le début de l'incendie. L'utilisation d'un système fixe de lutte contre l'incendie nécessite une mise en cohérence de tous les concepts de mise en sécurité des usagers, ainsi que des stratégies de ventilation et d'évacuation.
La décision concernant la mise en œuvre ou non de tels systèmes est complexe et lourde de conséquences. Elle doit faire l'objet d'une réflexion approfondie relative aux conditions particulières de sécurité de l'ouvrage concerné et à la valeur ajoutée obtenue par la mise en œuvre du système. Elle ne doit pas être prise sous l'influence d'une mode ou d'un lobby.
Ces systèmes nécessitent la mise en œuvre d'une maintenance importante, la réalisation d'essais réguliers et fréquents de fonctionnement, sans lesquels leur fiabilité ne peut pas être assurée.
1.2.4.2.d Eclairage
Les recommandations de la CIE (Commission Internationale pour l'Eclairage) ont fait l'objet de critiques de la part de l'AIPCR du fait des niveaux d'éclairement élevés auxquelles elles conduisent souvent. Le lecteur pourra se reporter au rapport technique publié par le CEN (Comité Européen de Normalisation) qui présente plusieurs méthodes dont celle de la CIE.
L'éclairage est un outil fondamental pour assurer le confort et la sécurité des usagers en tunnel. Les objectifs de niveau d'éclairement doivent être adaptés à la localisation géographique du tunnel (urbain ou non), à ses caractéristiques (court ou très long), à son volume et sa nature de trafic.
Les installations d'éclairage sont très consommatrices d'énergie, et des progrès sont en cours pour en optimiser les caractéristiques et les rendements.
1.2.4.2.e GTC (Gestion Technique Centralisée) - supervision
Il s'agit du « système nerveux » et du « cerveau » du tunnel, permettant le recueil, la transmission et le traitement de l'information, puis la transmission de l'ensemble des ordres de fonctionnement des équipements.
La GTC nécessite une analyse méticuleuse en fonction des conditions spécifiques au tunnel, à ses équipements, à l'organisation et à son mode d'exploitation, au contexte de risque dans lequel le tunnel est placé, ainsi qu'aux dispositions et procédures mises en œuvre pour les interventions.
L'organisation du poste de supervision et de contrôle doit faire l'objet d'une analyse très attentive, en fonction du contexte spécifique au tunnel (ou à l'ensemble des tunnels concernés), des moyens nécessaires, des missions à assumer, de l'assistance indispensable apportée aux opérateurs, en cas d'incident, par les automatismes ou les systèmes experts permettant d'alléger leurs tâches et de les rendre plus efficaces.
La mise au point de ces systèmes est longue, délicate et nécessite une méthodologie très rigoureuse de développement, de contrôles par étapes successives (lors d'essais en plateforme notamment), puis de tests, de contrôles globaux après intégration de la totalité des systèmes sur le site. L'expérience montre que les nombreux dysfonctionnements constatés sur ces systèmes proviennent des lacunes suivantes:
cahier des charges mal défini, analyse fonctionnelle insuffisante ou méconnaissance des conditions ou procédures d'exploitation,
lancement trop tardif du développement des systèmes, ce qui n'a pas permis de laisser le temps nécessaire à des analyses approfondies, à l'intégration transversale, et à la prise en compte de conditions d'exploitation du tunnel,
manque de rigueur suffisante dans le développement, les tests, le contrôle et l'intégration de l'ensemble des systèmes,
absence de prise en compte du comportement humain et de l'ergonomie générale,
manque d'expérience dans l'exploitation d'un tunnel, dans la hiérarchie des décisions à intégrer et la chaîne logique de ces décisions en cas d'évènement grave.
Le paragraphe Systèmes d’acquisition de données, de contrôle – commande et de supervision (SCADA) du manuel fait le point sur ces différents aspects.
1.2.4.2.f Radiocommunications - courants faibles
Ces équipements comprennent :
réseau d'appel d'urgence téléphonique,
réseau radio à destination de l'exploitation, des services d'intervention. Canaux radio destinés aux usagers du tunnel, par l'intermédiaire desquels il est possible de transmettre des informations et des directives relatives à la sécurité,
les nombreux capteurs destinés à des mesures et à la détection,
réseau de vidéo surveillance. A ce réseau est bien souvent associé un système de DAI (Détection Automatique d'Incident). Cette fonction nécessite un renforcement du nombre de caméras de façon à rendre la détection plus fiable et plus pertinente.
1.2.4.2.g Signalisation
La signalisation fait l'objet du paragraphe Signalisation.
Encore plus que pour les autres équipements d'exploitation, une surabondance de signalisation nuit à sa pertinence et à son objectif.
La lisibilité, la cohérence, l'homogénéité et la hiérarchisation de la signalisation (priorité à la signalisation d'évacuation et d'information des usagers) sont à privilégier lors de la conception du projet de signalisation à l'intérieur du tunnel ainsi que sur ses approches.
Les panneaux fixes, les feux d'affectation de voies, les panneaux à messages variables, les feux de barrage, les cheminements vers les sorties de secours, la signalisation particulière de ces sorties, la signalisation des niches, les dispositifs physiques de fermeture des voies (barrières amovibles), le marquage au sol, les bandes vibrantes font partie de l'ensemble des dispositifs à usage de signalisation. Ils assurent une partie de la communication avec l'usager.
1.2.4.2.h Dispositifs de détection et de lutte contre l'incendie
Les dispositifs de détection d'incendie sont soit ponctuels (détection d'incendie dans les sous-stations souterraines ou les locaux techniques), soit linéaires (câble thermométrique) dans les espaces circulés.
Les dispositifs de lutte contre l'incendie sont multiples :
installations en général automatisées dans les locaux techniques,
extincteurs à l'usage des conducteurs des véhicules,
installations à destination des pompiers : conduite d'eau et poteaux d'incendie - conduite de mousse dans certains pays. Le volume des réservoirs est variable et dépend de la réglementation locale et des conditions particulières du tunnel,
certains tunnels comportent des installations fixes de lutte contre l'incendie (cf. § 1.2.4.2.c ci-dessus).
1.2.4.2.i Equipements divers
D'autres équipements sont susceptibles d'être mis en œuvre en fonction des objectifs et des besoins en matière de sécurité, de confort, ou de protection de la structure de chaque ouvrage en particulier. De façon non exhaustive ces équipements peuvent concerner :
des plots de balisage lumineux insérés dans les piédroits ou les bordures de trottoirs,
une main courante ou une « ligne de vie » permettant d'assurer la progression des pompiers dans la fumée,
la peinture des piédroits ou la mise en place de panneaux préfabriqués décalés,
des dispositifs de protection des structures contre les dommages résultant d'un incendie. De telles dispositions protectrices doivent être prises en compte dès l'origine du projet. En effet les échanges thermiques (avec le revêtement béton ou le terrain) sont modifiés lors d'un incendie et le dimensionnement des installations de ventilation doit en tenir compte,
la gestion et traitement des eaux recueillies sur la chaussée en tunnel avant leur rejet dans le milieu naturel,
des dispositions de mesures des conditions environnementales en tête de tunnel, associées avec des procédures particulières d'exploitation en cas de dépassement de seuils.
https://www.piarc.org/fr/fiche-publication/16911-fr-Consid%C3%A9rations%20sur%20le%20cycle%20de%20vie%20des%20%C3%A9quipements%20%C3%A9lectriques%20des%20tunnels%20routiers.htm?catalog&catalog-topic=37&catalog-size=
1.3. Rénovation - Remise à niveau des tunnels existants
1.3.1. Diagnostic
1.3.2. Programme de rénovation (ou d'amélioration)
1.3.3. Conception et réalisation
La remise à niveau (notamment au motif d'amélioration de la sécurité) et la rénovation des tunnels existants en service posent des problèmes spécifiques d'analyse et de méthode. Les degrés de liberté sont beaucoup moins importants que pour des tunnels neufs car il est nécessaire de tenir compte des espaces et des contraintes existants. Les technologies propres à chacun des équipements et leur intégration sont toutefois identiques.
Les opérations de rénovation se traduisent assez souvent par une dérive des délais et des coûts, par des conditions de sécurité très dégradées pendant la réalisation des travaux, et des impacts mal maîtrisés sur les conditions et flux de circulation. Ces inconvénients résultent pour la plupart du temps d'une analyse trop sommaire de la situation existante, de l'état réel de l'ouvrage et de ses équipements, de l'environnement dans lequel il s'insère, et d'une absence de stratégie de travaux permettant de minimiser les gênes à la circulation.
Le paragraphe Évaluer et améliorer la sécurité dans les tunnels existants propose une méthodologie pour le diagnostic de sécurité des tunnels existants et la mise au point d'un programme de remise à niveau. En outre, le paragrapheTravaux de maintenance et de rénovation sous exploitation présente les spécificités propres aux tunnels en service. Leurs dispositions qui permettent de minimiser les problèmes soulevés ci-dessus.
Il paraît toutefois opportun d'attirer l'attention du lecteur sur les points clefs suivants.
Le diagnostic détaillé et rigoureux du tunnel est une étape essentielle, et bien souvent négligée, dans le processus de remise à niveau ou de rénovation de l'ouvrage.
Pour établir le diagnostic physique de l'ouvrage il est nécessaire de :
relever et décrire de façon précise les fonctions et la géométrie de l'ouvrage,
relever l'état des structures. Evaluer en particulier la tenue au feu, les incertitudes et les risques potentiels, les tests ou essais qu'il serait indispensable d'entreprendre, en vue de permettre la réalisation des études détaillées,
lister tous les équipements existants, leurs fonctions, leur état, leur technologie, leurs caractéristiques réelles (des essais ou des mesures sont indispensables), le stock de pièces de rechange éventuellement disponible,
évaluer le reliquat de durée de vie potentielle desdits équipements avant la nécessité de les remplacer, et identifier la disponibilité ou non de pièces de rechange sur le marché (notamment du fait de l'obsolescence technologique),
prendre connaissance des journaux ou rapports de maintenance, rapports d'inspection, dysfonctionnement, taux de panne,
Ce diagnostic physique doit être complété par un diagnostic concernant l'organisation, les procédures d'entretien, de maintenance et d'exploitation, ainsi que par un diagnostic spécifique concernant tous les documents relatifs à l'organisation de la sécurité et à l'intervention des secours. Cette étape de diagnostic peut le cas échéant conduire à la mise en place d'actions de formation des différents intervenants en vue d'améliorer les conditions globales de sécurité de l'ouvrage dans son état initial avant rénovation.
Le diagnostic doit être suivi d'une analyse des risques de l'ouvrage dans son état réel. Cette étude a un double objectif :
évaluer si l'ouvrage peut continuer à être exploité en l'état avant sa rénovation, ou s'il est nécessaire de prendre des dispositions transitoires temporaires : restriction de passage pour certains véhicules seulement - renforcement des dispositions de surveillance et d'intervention - équipements additionnels - etc.,
Constituer un référentiel de l'état existant du point de vue des conditions de sécurité afin de permettre d'affiner la mise au point du programme de rénovation.
Le diagnostic doit permettre d'identifier (sans attendre les découvertes tardives lors de la réalisation des travaux) si des équipements existants, a priori en état de fonctionnement, sont susceptibles d'évolution, d'adjonction et d'intégration dans les installations rénovées (compatibilité technologique - performances notamment pour la GTC les automates et la supervision)
1.3.2 Programme de rénovation (ou d'amélioration)
Le programme de rénovation (ou d'amélioration) procède de deux étapes.
1.3.2.1 Première étape : élaboration du programme
L'élaboration du programme résulte :
du diagnostic détaillé tel que décrit ci-dessus,
de l'analyse des risques et établie sur l'état initial de l'ouvrage,
des écarts constatés en matière de sécurité,
de l'analyse de ce qu'il est possible de réaliser dans les espaces existants et leurs extensions potentielles pour permettre la mise à niveau du tunnel.
Compte tenu de l'environnement physique de l'ouvrage et des espaces disponibles, il peut arriver que le programme souhaitable de mise à niveau des infrastructures ou des équipements ne soit pas réalisable dans des conditions acceptables, et qu'il soit nécessaire de définir un programme plus restreint. Ce programme réduit peut nécessiter la mise en œuvre de dispositions compensatoires permettant de satisfaire in fine et globalement au niveau de sécurité requis.
1.3.2.2 Seconde étape : validation du programme
La validation du programme nécessite :
la réalisation d'une analyse des risques sur l'état final en vue de tester les dispositions nouvelles introduites par le programme. Cette analyse des risques doit être établie avec la même méthodologie que celle utilisée pour l'étude concernant l'état initial. Elle permet également de chercher des optimisations,
l'examen détaillé de la faisabilité des travaux d'amélioration ou de rénovation dans les conditions d'exploitation requises : par exemple interdiction de fermeture ou restrictions temporaires de circulation. Dans le cas d'une incompatibilité entre les objectifs du programme et la réalisation des travaux nécessaires à sa mise en œuvre, une itération est nécessaire. Cette itération peut concerner :
le programme, dans la mesure où les adaptations du programme sont compatibles d'une part avec les objectifs de sécurité, et d'autre part avec sa mise en œuvre dans les conditions d'exploitation pré-requises,
les conditions d'exploitation pré-requises, qu'il peut être indispensable de modifier afin d'être en mesure de pouvoir matériellement réaliser les travaux du programme susceptible de satisfaire aux objectifs de sécurité.
Le programme d'amélioration ne nécessite pas forcément la réalisation de travaux physiques. Il peut le cas échéant ne consister qu'en une modification des fonctions de l'ouvrage, ou des mesures d'exploitation, comme par exemple :
modification de la nature des véhicules admis : interdiction aux poids lourds - interdiction au transport de marchandises dangereuses,
mise en place de procédures spécifiques de restriction de la circulation : de façon permanente ou aux heures de pointe du trafic,
tunnel initialement exploité en circulation bidirectionnelle transformé pour la mise en œuvre d'une circulation unidirectionnelle,
modification des moyens de supervision, des moyens d'intervention.
1.3.3 Conception et réalisation
L'étape de conception et de réalisation consiste à traduire en termes techniques et contractuels le programme de rénovation et sa mise en œuvre.
Cette étape nécessite une analyse très détaillée :
des phases successives de réalisation des travaux, du contenu de chacune de ces phases et de la suite logique et prioritaire des travaux à réaliser,
des conditions de sécurité de l'ouvrage à chacune des phases. Ceci nécessite des analyses des risques partielles, et la mise en œuvre si nécessaire de dispositions compensatoires : réglementation de la circulation - restrictions - dispositifs de patrouille ou d'intervention renforcés - etc.
des conditions de circulation dans l'ouvrage, de restrictions partielles, temporaires selon les différentes phases (dispositions différentiées entre période diurne et nocturne, périodes normales ou de vacances), des déviations potentielles et de l'impact global sur les conditions de circulation, et de sécurité dans la zone affectée,
des contraintes, sujétions et délais partiels et globaux de réalisation des travaux, afin de pouvoir définir d'une part les éléments contractuels pour l'entreprise, et d'autre part mettre en place toutes les dispositions temporaires nécessaires, et procéder à une campagne d'information des usagers et des riverains.
1.4. Étapes de la « vie » d'un tunnel
1.4.1 La conception
1.4.2 La construction
1.4.3 La mise en service
1.4.4 L'exploitation
D'une manière un peu arbitraire la « vie » d'un tunnel peut être décomposée en plusieurs étapes principales dont les enjeux essentiels sont les suivants :
C'est l'étape la plus importante de la vie d'un tunnel neuf. Elle est déterminante en termes de coût de construction, de coût d'exploitation, de sécurité, ainsi que de management des risques techniques et financiers.
Elle nécessite une intégration transversale de toutes les interfaces du « système complexe » constitué par le tunnel, dès l'amont de la conception de celui-ci (cf. paragraphes ci-dessus).
L'expérience témoigne que ceci est malheureusement rarement le cas, et que bien souvent la conception d'un tunnel résulte d'une succession de phases traitées de façon indépendante. D'une manière un peu caricaturale on peut noter que :
la fonction n'est pas toujours bien définie,
le tracé est conçu sans aucune intégration du tunnel, de ses contraintes, ni de l'ensemble des possibilités d'optimisation,
le génie civil du tunnel se « débrouille » du tracé imposé, avec toutes les conséquences qui peuvent en résulter en matière de coûts de construction et de risques,
les équipements, la sécurité et l'exploitation s'intègrent tant bien que mal et de façon pas toujours harmonieuse ni optimale avec les dispositions retenues lors des phases précédentes.
Pour ce qui concerne le génie civil, l'aspect le plus important est celui du management des risques techniques (notamment géologiques) et de l'ensemble des conséquences financières et de délais qui en résultent.
La réflexion relative au management des risques doit s'engager dès la conception. Cette réflexion doit être approfondie, et partagée avec le Maître d'Ouvrage. Les décisions en matière de risques doivent être mûries et documentées.
La prise de risques ne constitue pas nécessairement une erreur, et n'est pas forcément à proscrire, car elle peut correspondre à des objectifs notamment de délais impératifs, qui seraient incompatibles avec la mise en œuvre de toutes les investigations nécessaires pour lever les incertitudes.
Toutefois une décision de prise de risques doit résulter d'une réflexion approfondie :
sur les conséquences susceptibles d'en résulter qui doivent être identifiées, analysées et consignées : délais - coûts - impacts humains et environnementaux - sécurité,
sur les enjeux de cette prise de risques, ses probabilités de réussite et son réel intérêt.
Une prise de risque ne doit pas être le résultat d'une négligence ou d'une incompétence des différents acteurs.
Pour ce qui concerne les équipements d'exploitation, l'attention est attirée sur :
tous les aspects de nature à optimiser la durée de vie des installations, leur fiabilité et leur facilité d'entretien et de maintenance,
la nécessité d'une démarche rigoureuse et d'un contrôle continu de la fonctionnalité, des performances et de la qualité des installations au fur et à mesure de la fabrication des composants, ainsi que de leur mise en œuvre sur le site, puis lors des essais partiels et d'intégration,
la prime à la qualité lors du choix des équipements, même si le coût de construction en est un peu plus élevé. L'économie éventuelle sera très vite compensée par les coûts de maintenance, les difficultés d'intervention sous circulation, et les nuisances supportées par les usagers.
Cette étape de la « vie » d'un tunnel est bien souvent sous estimée, et prise en compte de façon trop tardive. Elle nécessite du temps, qui ne lui est trop souvent pas accordé, ce qui conduit à mettre en service l'ouvrage dans des conditions peu satisfaisantes, si ce n'est très exposées en termes de sécurité.
Cette étape comporte :
l'organisation de l'exploitation et de la maintenance,
la rédaction de toutes les procédures d'exploitation, d'intervention, de sécurité dans les conditions normales d'exploitation de l'ouvrage, ainsi que dans les conditions dégradées (Conditions Minimales d'Exploitation),
le recrutement et la formation du personnel,
la « marche à blanc » des installations, qui ne peut avoir lieu que lorsque les installations ont été réalisées en totalité, qu'elles ont été réceptionnées (le cas échéant avec des réserves ne nécessitant que des interventions correctives mineures),
les entraînements et manœuvres interservices avant la mise en service du tunnel.
La mission principale est d'assurer :
la gestion de toutes les installations, leur maintenance, leur remise en état,
la sécurité et le confort des usagers.
Une prise de recul par rapport aux routines quotidiennes est indispensable en vue :
d'établir un retour d'expérience, d'adapter les procédures, les conditions d'intervention et les manœuvres de sécurité,
d'optimiser les coûts d'exploitation sans dégrader le niveau de service et de sécurité,
d'identifier, analyser, planifier et réaliser les grosses opérations de maintenance et remise à niveau de l'ouvrage.
1.5. Coûts de construction - exploitation - mise à niveau - aspects financiers
1.5.1 Avant-propos
1.5.2 Coûts de construction
1.5.3 Coûts d'exploitation
1.5.4 Coûts de travaux de mise à niveau
1.5.5 Aspects relatifs au financement
Les tunnels sont des ouvrages relativement coûteux en construction et en exploitation. Une attention particulière doit être apportée dès le début du projet afin de veiller à toutes les optimisations techniques et financières possibles.
Il est recommandé de mettre en place dès l'amont un processus comportant :
la définition détaillée de la « fonction » du tunnel,
un processus itératif « d'analyse de la valeur », réalisé à toutes les phases stratégiques du projet, auquel il convient d'intégrer les différentes étapes d'analyse des risques,
une analyse détaillée et un suivi des risques potentiels en phases d'études et de construction. Ces risques potentiels sont liés :
aux incertitudes techniques relatives notamment à la complexité du sous-sol (incertitudes géotechniques)
aux incertitudes relatives au trafic, qui constituent un risque important concernant les recettes dans le cas d'un mode de construction et financement par une « concession »,
aux incertitudes et aléas concernant l'environnement financier, et notamment l'évolution dans le temps des taux et conditions de financement et de refinancement. Cet aspect constitue un risque important dans le cas d'un mode de construction et de financement par « concession » ou par PPP avec apport financier.
Ce processus permettra d'optimiser le projet (coûts de construction et d'exploitation) et de mieux maîtriser les aléas techniques, financiers et de délai.
1.5.2.1. Ratios kilométriques
Les coûts de construction de tunnels sont très variables, et il n'est pas possible de donner des ratios de coûts kilométriques représentatifs, car ces ratios peuvent varier dans des proportions importantes (en moyenne de 1 à 5) en fonction notamment :
des conditions géologiques,
des difficultés des accès ou des têtes de tunnel,
de la localisation géographique du tunnel : urbain ou non urbain,
de la longueur du tunnel : en particulier le « poids » de la ventilation et des dispositions de sécurité est plus important pour un tunnel long - a contrario tous les ouvrages d'accès et de têtes ont un impact important pour un tunnel court,
du volume de trafic, qui est déterminant pour le dimensionnement du nombre de voies, ainsi que pour celui des installations de ventilation,
de la nature du trafic : en particulier un tunnel traversé par des transports de marchandises dangereuses nécessitera des dispositions coûteuses de ventilation, de sécurité, et le cas échéant de renforcement de la résistance de la structure au feu - a contrario un tunnel dédié au passage de véhicules légers peut permettre des économies très importantes du fait de la réduction possible de la largeur des voies, de la hauteur libre, et de besoins plus réduits dans le domaine de la ventilation,
de l'environnement du tunnel, qui peut conduire à réaliser des dispositions coûteuses de protection ou de réduction des impacts,
des dispositions prises pour la gestion ou le partage des risques de construction,
de l'environnement socio-économique du pays dans lequel le tunnel est à réaliser : l'impact peut atteindre environ 20%.
On peut tout au plus indiquer que le coût moyen d'un tunnel courant, réalisé dans des conditions géotechniques moyennes est de l'ordre de dix fois celui d'une infrastructure équivalente réalisée à l'air libre (hors zone urbaine et non compris ouvrages d'art non courants).
1.5.2.2. Décomposition des coûts de construction
Les coûts de construction d'un tunnel peuvent être décomposés en trois natures de coûts :
les coûts de génie civil,
les coûts des équipements d'exploitation, y compris le poste de supervision et l'amenée d'énergie,
des coûts divers comportant notamment : maîtrise d'ouvrage - maîtrise d'œuvre - sondages de reconnaissances - études environnementales et mesures compensatoires - foncier - procédures diverses - etc.
Les deux graphiques ci-dessous montrent des exemples de répartition de ces coûts de construction d'une part pour des tunnels dont les conditions de génie civil ne sont pas complexes, et d'autre part pour des tunnels dont les conditions de génie civil sont moins favorables.
Fig. 1.5.1 : Décomposition des coûts de construction
Nota : ces deux schémas montrent l'importance des coûts de génie civil lors de la construction d'un tunnel et illustrent les conséquences d'un quasi-doublement des coûts de travaux de génie civil dans le cas du schéma situé à droite.
Les coûts d'exploitation d'un tunnel peuvent être décomposés en :
coûts d'exploitation proprement dit, qui comportent essentiellement les frais de personnel, les coûts d'énergie, ainsi que les frais de gestion et le matériel courant. Il s'agit de coûts récurrents,
les coûts annuels récurrents de maintenance,
les coûts des grosses réparations, ainsi que les coûts de remplacement du matériel en fonction de sa durée de vie et de son état au cours de la vie du tunnel. Ces coûts ne sont pas récurrents et interviennent selon le matériel, sa qualité et les conditions de maintenance, à compter de la dixième ou douzième année après mise en exploitation.
Les deux schémas ci-dessous montrent des exemples de la répartition (à conditions économiques constantes) des coûts de construction (génie civil - équipements d'exploitation - divers), ainsi que des coûts globaux d'exploitation (cumulés sur une durée de trente ans après la mise en service du tunnel).
Fig. 1.5.2 : Décomposition des coûts sur une période de 30 ans
Nota : ces schémas montrent l'importance des coûts d'exploitation et de maintenance, et la nécessité dès la conception de l'ouvrage de retenir des dispositions qui permettent d'optimiser les coûts récurrents d'exploitation et de maintenance.
Il s'agit de travaux de rénovation de tunnel rendus nécessaires par la « mise à niveau » des dispositions d'évacuation, de la résistance de la structure, ainsi que des équipements d'exploitation et de sécurité pour satisfaire aux nouvelles réglementations dans le domaine de la sécurité.
Il n'est pas possible de donner des prix statistiques dans ce domaine compte tenu de la diversité des tunnels existants, de leur état et de l'exigence plus ou moins importante des nouvelles normes de sécurité propres à chaque pays (en complément des normes internationales).
Les constatations faites en France sur les travaux de « mise à niveau » qui ont été lancés il y a une dizaine d'années, montrent une très grande diversité des budgets correspondants, compris entre une dizaine de millions d'euros et plusieurs centaines de millions d'euros (plusieurs opérations supérieures à 200 M€).
Les tunnels constituent des infrastructures onéreuses en termes de construction et d'exploitation. Ils apportent en contrepartie des services importants en matière d'aménagement du territoire, de fluidité du trafic, de confort, de sécurité, de fiabilisation d'itinéraire (traversée de chaîne de montagne), ainsi que de protection de l'environnement.
Le financement de ces ouvrages est assuré :
soit par un « mode traditionnel » : financement et entretien par une collectivité publique, les ressources financières provenant alors des impôts ou des taxes sur les carburants,
soit par une « concession » à une structure privée ou semi-publique, qui est chargée de la réalisation puis de l'exploitation de l'ouvrage pendant un délai déterminé. Cette structure assure le financement de l'ouvrage (bien souvent par emprunt). Elle fait payer en contre partie un péage aux usagers afin de permettre de couvrir les frais de construction, les frais d'exploitation, ainsi que les risques et les frais financiers. Le mode de « concession » peut être assorti d'une participation financière du concédant, ou de garanties particulières (exemple : garantie d'un trafic minimum ou contre partie financière dans le cas où ce minimum n'est pas atteint),
soit par un « mode mixte » de PPP (partenariat public privé) ou similaire, qui peut porter :
sur la construction seule, ou sur la construction et l'exploitation,
sur la construction « clef en main » dans le cadre d'un mode de « construction / réalisation,
sur le financement partiel ou total.
Le présent manuel n'a pas pour objet de détailler ces différents modes de financement, ni d'en présenter les mécanismes, les avantages ou les inconvénients. Toutefois il nous a semblé intéressant de présenter quelque grandes lignes directrices issues de l'expérience qui apportent un éclairage préliminaire.
a) Financement par une collectivité publique
Ce mode de financement est très largement utilisé. Il permet d'assurer la réalisation d'une infrastructure dont le financement ne pourrait pas être réalisé par «concession », à défaut de revenu suffisant pouvant être prélevé par le péage, ou lorsqu'il y a volonté politique d'éviter un péage.
Il nécessite toutefois que la collectivité publique ait la capacité financière pour assurer ce financement, ou qu'elle ait une capacité d'endettement. Les ressources proviennent essentiellement des impôts ou des taxes et parfois partiellement de recettes de péage.
b) Financement par « concession » d'un tunnel non isolé
Le financement d'un tunnel « non isolé » par « concession » (avec ou sans participation financière du concédant) est le cas courant d'un tunnel situé sur une nouvelle autoroute interurbaine soumise à péage. Le coût du tunnel est en partie réparti sur le linéaire d'infrastructure construit à l'air libre, et l'expérience montre que le surcoût du ratio kilométrique du péage est accepté par l'usager à partir du moment où la nouvelle infrastructure apporte une valeur ajoutée suffisante en matière de gain de temps, de niveau de service, de confort ou de sécurité.
c) Financement par « concession » d'un tunnel isolé. Il existe deux catégories principales de tunnels isolés.
Les tunnels correspondant à une amélioration majeure des conditions de circulation. C'est notamment le cas des tunnels urbains visant à fluidifier la circulation et à améliorer les temps de parcours. L'expérience montre qu'un mode de financement par « concession » n'est réellement envisageable que quand les conditions suivantes sont réunies :
volume de trafic important,
pays à niveau de vie élevé permettant le prélèvement d'un péage substantiel indispensable pour assurer l'équilibre financier,
gain de temps important pour l'usager pour qu'il accepte en contrepartie un taux de péage relativement élevé,
durée de concession d'une cinquantaine d'années au moins.
Les tunnels « d'aménagement du territoire », destinés à traverser un obstacle naturel majeur (chaîne de montagne - bras de mer). Ces obstacles constituaient un handicap important pour les échanges. Le volume de trafic initial est relativement faible. Le nouvel aménagement permettra la croissance du trafic, mais cette évolution est souvent très difficile à apprécier, et elle constitue un paramètre important de risque financier pour l'équilibre de la concession. L'expérience montre qu'un mode de financement par « concession » n'est alors réellement envisageable que quand les conditions suivantes sont réunies :
l'obstacle naturel est important, et le tunnel est suffisamment attractif (gain de temps - niveau de service - service rendu - fiabilisation de l'itinéraire) pour capter tout le trafic existant malgré la nécessité d'acquitter un péage,
participation financière du concédant, soit sous la forme d'une contribution financière ou de la prise en charge directe d'une partie des travaux (réalisation des accès par exemple),
garantie d'un volume de trafic minimum, et s'il n'est pas atteint contribution financière de la part du concédant,
dispositions contractuelles pour le partage des risques majeurs susceptibles de mettre en péril le modèle financier s'ils dépassent une certaine limite,
durée de concession très longue : bien souvent 70 ans ou plus,
garantie financière apportée par le concédant, afin de permettre au concessionnaire de bénéficier de conditions plus favorables sur le marché financier, ce qui peut permettre de mieux assurer la faisabilité du montage financier.
d) Financement par PPP ou similaire
La diversité du contenu d'un mode de PPP est très large, et il est difficile de dégager des lignes directrices compte tenu du spectre des possibilités.
Ce mode de financement engage financièrement les collectivités publiques sur le long terme, et une analyse détaillée est nécessaire pour évaluer l'intérêt réel de ce mode de financement par rapport à un financement traditionnel, d'autant que bien souvent ce mode de développement contribue à renchérir le coût de l'ouvrage (à fonctionnalités et qualité égales) afin de compenser le risque assumé par le développeur.
Les collectivités publiques doivent par ailleurs définir de façon très précise les fonctionnalités de l'ouvrage, ainsi que les objectifs en matière de qualité, confort, sécurité, niveau de service, durée de vie, taux de disponibilité, etc. pour éviter toute ambiguïté susceptible de se traduire par des surcoûts importants dans le développement du projet.
1.6. Réglementations – Recommandations
Les pays qui comportent de nombreux tunnels sont dotés d'une réglementation, et ont développé en général des recommandations et des guides de conception ou d'exploitation et de maintenance.
En matière de sécurité dans les tunnels routiers, les pays appartenant à l'Union Européenne sont tenus par la Directive 2004/54/CE qui prescrit un niveau minimum de dispositions à mettre en œuvre pour assurer la sécurité des usagers dans les tunnels de plus de 500 m du réseau transeuropéen. Un ensemble plus élargi de pays européens est en outre lié par une convention internationale, l'Accord européen relatif au transport international des marchandises Dangereuses par Route (ADR), qui concerne le transport des marchandises dangereuses et comporte des dispositions spécifiques pour les tunnels. Chaque pays a transposé ces textes européens dans sa propre législation nationale. Un certain nombre de pays ont mis en place une réglementation complémentaire plus exigeante que celle qui résulte de la transposition de la réglementation européenne.
Un tableau des réglementations et recommandations applicables en matière d'exploitation et de sécurité des tunnels routiers a été établi en coopération entre l'AIPCR et le comité de la sécurité en exploitation des installations souterraines (ITA-COSUF) de l'Association internationale des tunnels et de l'espace souterrain (AITES). Ce document peut être consulté sur la page internet ITA-COSUF (Publications). Il n'est pas exhaustif mais présente un panel international de vingt-sept pays et de trois organisations internationales.
De nombreux pays ne possèdent aucune réglementation relative aux tunnels et à la sécurité en tunnel, à défaut de disposer sur leur territoire d'ouvrage de cette nature. Il est recommandé à ces pays de choisir un « paquetage complet » et cohérent de la réglementation existante d'un pays expérimenté dans le domaine des tunnels (ne pas multiplier les origines en piochant un peu partout). Les recommandations de l'AIPCR, synthétisées dans le présent manuel, ainsi que la Directive européenne 2004/54/CE constituent également des référentiels internationaux de plus en plus suivis.
1.7 Réseaux Routiers Souterrains Complexes
1.7.2 Partie A - Etude de cas
1.7.3 Enjeux stratégiques particuliers
Ce chapitre comporte deux sous-ensembles principaux :
une synthèse du rapport du groupe de travail 5 "Réseaux Routiers Souterrains Complexes", publié lors du congrès de 2015 à Séoul (voir § 1.7.1 et § 1.7.2),
une analyse des enjeux stratégiques particuliers relatifs aux "Réseaux Routiers Souterrains Complexes" (voir § 1.7.3).
Les "Réseaux Routiers Souterrains Complexes" ont été le thème de réflexions du Groupe de Travail 5 de l’AIPCR au cours du cycle 2012 – 2015.
Le plan de travail comporte deux parties :
Partie A - Étude de cas : cette partie fait l’objet des analyses réalisées au cours du cycle 2012-2015 et d’un rapport disponible sur le site web de l’AIPCR: 2016R19FR Tunnels routiers : réseaux routiers souterrains complexes. Une synthèse de ce rapport est présentée au § 1.7.2 ci-dessous,
Partie B - Recommandations Spécifiques : les études et recommandations spécifiques font l’objet du cycle 2016-2019 et seront publiées dans un second rapport en fin du cycle.
La dénomination "Réseaux Routiers Souterrains Complexes" recouvre les infrastructures suivantes :
Enchainement de plusieurs tunnels successifs rapprochés : voir par exemple les analyses faites pour Prague, La Hague, Oslo et Tromsø.
Tunnels multimodaux : voir par exemple les analyses faites pour La Hague et Lyon avec des utilisations partagées entre les bus, les piétons, les bicyclettes et le tram.
Tunnels de service permettant la desserte de centres d’activités et de centres commerciaux (usagers et fret) : voir par exemple les analyses faites pour Helsinki et Paris-La Défense. Ces ouvrages présentent en général des multitudes d’interfaces entre de très nombreux exploitants, participant ainsi à leur complexité.
Tunnels présentant une double fonction de transit et de desserte de parkings souterrains : voir par exemple les analyses faites pour Annecy, Bruxelles et Tromsø.
Tunnels à gabarit réduit : voir par exemple les analyses faites pour le Duplex A 86 en Région Parisienne.
Infrastructures souterraines comportant de multiples entrées et sorties, ainsi que des échangeurs souterrains. Cette catégorie de tunnels est la plus fournie dans le panel d’analyse.
Tous ces ouvrages présentent plusieurs caractéristiques communes :
leur complexité,
leur localisation essentiellement en zone urbaine et péri-urbaine,
leurs nombreuses interfaces avec des infrastructures ou des réseaux voisins auxquels ils sont reliés, créant autant d’interactions entre les gestionnaires de ces différents ouvrages.
1.7.2.1 Objectifs et méthodologie
L’objectif était de procéder à un état des lieux d’ouvrages de cette nature dans le monde, de les analyser, de faire une synthèse des informations recueillies, et d’établir un certain nombre de recommandations préliminaires pour les maîtres d’ouvrages, concepteurs et exploitants.
Cette collecte d’informations n’est pas exhaustive, et les synthèses ne constituent pas une base de données à caractère scientifique. Elles comportent toutefois des enseignements pertinents et intéressants. La collecte d’informations a été limitée, pour des raisons opérationnelles, aux pays d’où sont issus les membres du groupe de travail, où dans lesquels le groupe de travail disposait de correspondants actifs.
établissement d’un questionnaire détaillé,
réalisation des enquêtes essentiellement par entretiens avec les exploitants, les maitres d’ouvrages et les concepteurs,
analyse des informations recueillies,
établissement de synthèses,
rédaction de recommandations préliminaires.
Le volume très important des informations recueillies (plus de 600 pages) ne permettait d’envisager une publication exhaustive de l’ensemble des informations. Le groupe de travail a préféré
présenter des éléments de synthèse,
établir une fiche monographique pour chacun des ouvrages analysés (voir § 1.7.2.5).
1.7.2.2 Tunnels analysés
Vingt-sept "Ensembles de tunnels" ont été analysés. La liste figure au § 1.7.2.5 ci-dessous. Plusieurs "Ensembles" comportant de 2 à 4 tunnels, il en résulte qu’au total 41 tunnels individuels ont été analysés.
La répartition géographique des ouvrages analysés est figurée aux deux graphiques ci-dessous.
Fig. 1.7.1 : Répartition géographique des tunnels étudiés
Les tunnels européens paraissent surreprésentés dans l’échantillon d’analyse. Ceci provient d’une part d’une plus grande antériorité d’aménagement d’ouvrages de cette nature sur le territoire européen, du montant important des investissements nécessaires (limitant le nombre de pays pouvant les assumer), et d’autre part de la difficulté à recueillir des informations complètes dans plusieurs pays qui avaient été identifiés initialement.
En particulier, les enquêtes au Chili (Santiago du Chili), en Australie (Melbourne et Sydney) et un second projet en Corée du Sud n’ont malheureusement pas pu être réalisées à la date de production du présent rapport. Elles feront l’objet de mises à jour ultérieures au cours du prochain cycle, durant lequel il est envisagé de réaliser des analyses complémentaires en Allemagne, en Chine, au Japon, à Singapour et aux USA.
1.7.2.3 Principales informations de synthèse
Les principales informations de synthèse détaillées dans le rapport d’analyse portent sur :
la "longueur nominale" : ces longueurs s’échelonnent de 400 m à 16,4 km,
la longueur totale de chaque "ensemble souterrain" : ces longueurs s’échelonnent de 1,1 km à 32,8 km,
l’année de mise en service : le tunnel le plus ancien a été mis en service en 1952 ; les plus récents ont été mis en service en 2014. 73% des tunnels analysés ont été mis en service dans les trois dernières décennies,
les volumes de trafic : les trois tunnels les plus chargés ont des volumes de trafic compris entre 150.000 et 160.000 véh. /jour,
les localisations géographiques des ouvrages par rapport au nombre d’habitants de l’agglomération urbaine concernée,
les méthodes de construction : 44% ont été construits en tranchée couverte, 44% en tunnel foré avec des méthodes traditionnelles, et 12% réalisés au tunnelier, au bouclier ou en caissons préfabriqués immergés,
les caractéristiques géométriques minimales de tracé en plan ou de profil en long,
les déclivités maximales en rampe montante ou en pente descendante,
le nombre d’échangeurs souterrains ou de bretelles d’entrée et de sortie : deux "ensembles de tunnels" comptent plus de 40 entrées et sorties,
la largeur des voies comprises entre 3,00 m et 4,50 m. 2/3 des ouvrages ont une largeur des voies égale à 3,50 m,
les gabarits verticaux (hauteur libre) compris entre 2,00 m et 4,80 m,
les éléments latéraux : bande d’arrêt d’urgence, trottoirs,
les limitations de vitesse : elle est limitée à 70 km/h dans la plupart des ouvrages analysés,
la nature du trafic : la majorité des ouvrages analysés sont interdits aux poids lourds,
les taux de pannes et d’accidents,
les ratios annuels d’incendie,
les issues de secours et les dispositions relatives à la sécurité,
l’organisation de l’exploitation et de la maintenance.
1.7.2.4 Recommandations préliminaires
A l’issue de ces analyses, le groupe de travail a établi un certain nombre de recommandations prélimi-naires. Ces recommandations feront l’objet de développements complémentaires détaillés, qui seront publiés dans la Partie B du rapport à la fin du cycle 2016-2019.
Ces recommandations préliminaires, objet du Chapitre 11 - Situation actuelle, Observations et Recommandations préliminaires du rapport, concernent les aspects suivants :
a - Géométrie
Les réseaux routiers souterrains sont situés essentiellement en zone urbaine, et leur conception (notamment leur tracé) doit faire face à de nombreuses contraintes.
Les conditions géométriques sont bien souvent une cause d’accidents : tracé sinueux, visibilité insuffisante sur les zones d’entrée et de sortie, caractéristiques insuffisantes des sorties ou des insertions, mauvaises conditions de raccordement des bretelles de sortie au réseau routier de surface entrainant des congestions dans le tunnel principal, etc.
Il est recommandé lors de l’étude du tracé :
de ne pas se limiter à une simple approche géométrique, liée aux seules contraintes d’occupation des sols en souterrain et en surface,
mais de mettre en œuvre une approche globale prenant en compte notamment l’ensemble des contraintes d’occupation des sols, d’évolution du trafic, des conditions de circulation, des conditions d’exploitation et de sécurité, du contexte géologique, géotechnique et environnemental, des méthodes de construction, ainsi que de tous les autres paramètres spécifiques à l’aménagement concerné. (voir également § 1.7.3 ci-dessous).
b - Section transversale
Les enquêtes mentionnées ci-dessus montrent que 80% des tunnels analysés sont interdits aux véhicules de plus de 3,5 tonnes (ou le cas échéant 12 tonnes), sans que la conception des ouvrages, n’en tienne compte en particulier pour définir la largeur des voies de circulation, ainsi que le gabarit vertical.
Des analyses réalisées dans le cadre de projets récents montrent que des économies substantielles (de 20 % à 30% selon les caractéristiques retenues) peuvent être obtenues en choisissant un gabarit réduit pour les tunnels interdits à la circulation des poids lourds.
Il est recommandé de procéder, dès le début du projet, à des études détaillées relatives à la « fonction » du tunnel, aux conditions de circulation (volume et nature des véhicules), ainsi qu’aux capacités financières et au mode de financement, de façon à analyser l’intérêt ou non d’adopter une section transversale à caractéristiques géométriques réduites, permettant une optimisation financière du projet, sans réduire pour autant le niveau de service ni les conditions de sécurité.
c - Ventilation
Les réseaux routiers souterrains sont en général soumis à un trafic intense. Les congestions y sont fréquentes, et la probabilité de formation de "bouchon de circulation" y est très élevée et récurrente. Le système de ventilation doit être conçu en conséquence, de concert avec une analyse détaillée de risques et de dangers, et prendre en compte l’existence de "bouchons".
Un système de "pure" ventilation longitudinale est rarement la solution appropriée permettant de répondre à tous les critères de sécurité, notamment en cas d‘incendie situé en amont d’une congestion ou d’un bouchon de circulation. La ventilation longitudinale implique en effet la présence de fumées déstratifiées en aval du foyer d’incendie, qui constituent un danger pour les usagers bloqués dans cette zone par un bouchon de circulation.
L’ajout d’une gaine d’extraction des fumées est très souvent indispensable, ou le choix d’un système de ventilation transversale ou semi-transversale, dans le cas où aucune autre mesure susceptible de réduire le danger ne pourrait être mise en œuvre, ou ne serait considérée comme réaliste et fiable.
Il est également nécessaire de mettre en place des dispositifs permettant de rendre les différentes branches du réseau indépendantes les unes des autres, de façon à pouvoir maitriser la propagation des fumées lors d’un incendie.
Les risques liés au passage de véhicules transportant des matières dangereuses dans un tunnel supportant une circulation urbaine très dense, sont à considérer de manière très attentive. Aucun système de ventilation n’est en effet en mesure de réduire de façon significative les effets d’un incendie important de matières dangereuses dans de telles conditions de circulation.
d - Lutte contre l’incendie
Les délais nécessaires aux équipes d’intervention pour arriver sur le site à partir de leur caserne, doivent faire l’objet d’une analyse attentive, dans des conditions normales de circulation et aux heures de pointe. L’objectif est de déterminer s’il est nécessaire ou non d’installer des échelons de première intervention à proximité du tunnel.
Le taux de renouvellement du personnel des équipes de pompiers est relativement élevé en zone urbaine, et leurs interventions en tunnel sont relativement rares. Ceci rend indispensable la mise en œuvre d’outils permettant la formation et l’entrainement continus des équipes. Un modèle virtuel 3D du réseau, assorti d’un simulateur, peuvent être des outils pertinents, conviviaux et efficaces.
e - Signalisation
Il est fondamental d’assurer une bonne visibilité sur les débranchements de sortie, ainsi qu’une parfaite lisibilité de la signalisation, pour réduire les risques d’accident à l’origine des bretelles de sortie.
La localisation des échangeurs, celle des bretelles d’entrée et de sortie, ainsi que la conception de la signalisation doivent être analysées dès les étapes amont des études du tracé.
Les aspects les plus sensibles concernent la pollution atmosphérique, et il est souvent demandé avec insistance par les collectivités et les riverains d’installer des systèmes de traitement de l’air du tunnel avant son rejet vers l’extérieur.
Il en résulte que la décision d’installer des équipements de traitement d’air est rarement rationnelle ou technique, et prend un caractère très souvent politique. Il n’en demeure pas moins qu’il est nécessaire avant toute prise de décision :
de procéder à une analyse globale permettant d’évaluer d’une part l’efficacité réelle attendue vis-à-vis de la qualité de l’air, et d’autre part d’estimer les coûts d’investissement, les coûts d’exploitation (notamment énergie et maintenance), pour pouvoir établir un bilan prévisionnel rationnel et équilibré de la situation technique et financière,
de prendre en compte les progrès de l’industrie automobile, qui permettent de réduire les émissions de pollution des véhicules, et de limiter ainsi la concentration en pollution. Cette réduction de la concentration conduira à rendre de moins en moins efficaces au fil du temps les installations de traitement d’air qui auront été installées,
d’analyser les expériences internationales et les raisons pour lesquelles de nombreuses installations existantes de traitement de l’air ont été mises hors service.
g - Conditions de circulation – gestion du trafic
Les raccordements entre les bretelles de sortie et le réseau de surface doivent être équipés de façon à permettre la supervision et la gestion de la circulation en temps réel. Cette disposition permet de réduire les congestions de circulation en tunnel et d’améliorer la sécurité en cas d’incident en tunnel nécessitant l’évacuation rapide des usagers.
h - Exploitation
La coordination avec les exploitants des infrastructures connexes est en général assurée. Mais il est souvent indispensable de l’améliorer en clarifiant la situation et le rôle de chacun (en particulier en cas de congestion de trafic et d’incendie), en définissant des procédures communes, et en fixant les priorités entre les différentes infrastructures et leurs trafics.
1.7.2.5 Monographies
Des monographies ont été établies pour les ouvrages analysés, qui sont listés dans le tableau ci-dessous. Elles sont accessibles dans le Kit Multimedia au bas de cette page. Les monographies des ouvrages mentionnés en couleur brune sont en cours de mise au point et seront mises en ligne prochainement.
Tableau 1.7.2 : Liste des "ensembles de tunnels" analysés
Noms des "Ensembles de tunnels"
Asie Chine Changsha Tunnel routier de Yingpan 1-1
Japon Tokyo Chiyoda 1-2
Corée du Sud Séoul Shinlim-Bongchun et Shinlim-2 1-4
Europe Autriche Vienne Kaisermühlen 2-1
Belgique Bruxelles Léopold II 2-2
République Tchèque Prague Ensemble des 3 tunnels Blanka 2-4
Mrazovka et Strahov 2-5
Finlande Helsinki Tunnel de service Kehu 2-6
France Annecy Courier 2-7
Ile-de-France Duplex A 86 2-8
Lyon Croix-Rousse 2-9
Echangeur autoroutier A14/A86 2-11
Italie Valsassina Tunnel de Valsassina 2-12
Monaco Monaco Tunnel sous le rocher 2-13
Norvège Oslo Tunnel de l'Opéra 2-14
Tromso 3 tunnels interconnectés 2-15
Espagne Madrid M30 By-pass Sud 2-16
Suède Stockholm Périphérique - Tronçon Nord 2-18
Périphérique - Tronçon Sud 2-19
Pays-Bas La Haye Tunnel de Sijtwende 2-20
Amérique du Nord Canada Québec Montréal Tunnels Ville-Marie et Viger 3-1
Etats-Unis Boston Boston artery 3-2
Océanie Australie Brisbane Tunnel M7 Clem Jones (CLEM7) 4-1
Les "réseaux routiers souterrains" sont des "systèmes complexes". Toutes les recommandations présentées aux chapitres 1.1 à 1.5 ci-dessus leurs sont applicables. Certains des "sous-ensembles" et des "paramètres" mentionnés au chapitre 1.1 présentent toutefois un impact beaucoup plus important dans le cadre d’un réseau souterrain. Les "interactions entre paramètres" (voir § 1.1.2.2) y sont en général également plus étendues et beaucoup plus complexes.
Quelques enjeux stratégiques majeurs présentés dans les chapitres ci-dessus, ainsi que leurs principales interactions, sont à compléter comme suit.
1.7.3.1 Géométrie
Ce vocable recouvre le tracé en plan, le profil en long, l’implantation des échangeurs, des bretelles d’entrée et de sortie. Les recommandations du § 1.2.1 sont à compléter par les éléments suivants :
a - Occupation des sols
L’occupation des sols concerne l’occupation surfacique à l’air libre (routes, bâtiments et édifices divers, parcs et zones de protection, etc.), et l’occupation volumique de l’espace souterrain (infrastructures souterraines comme des métros des parkings, réseaux divers, fondations des bâtiments, etc.).
Les interfaces entre l’espace souterrain et la surface sont nombreuses : puits de ventilation, bretelles d’entrées et sorties, galeries d’évacuation, accès intermédiaires des secours.
Les contraintes d’occupation des sols en surface et en souterrain ne sont pas toujours compatibles en un lieu donné, et il est souvent nécessaire de désaccoupler les ouvrages de surface par rapport aux ouvrages souterrains. Ceci peut se traduire par des puits inclinés, ou des galeries souterraines reliant des puits verticaux distants du tracé.
b - Géologie, géotechnique, hydrogéologie
Les conditions géologiques, géotechniques et hydrogéologiques ont une incidence importante sur le tracé et le profil en long, notamment vis-à-vis des risques de tassements, de la possibilité de franchir en sous-œuvre les constructions existantes, des distances à conserver par rapport aux ouvrages existants en surface ou en souterrain en fonction des méthodes de construction envisagées.
Ces conditions peuvent influer sur la position des échangeurs souterrains. Par exemple dans le cas de terrains meubles sous le niveau de la nappe phréatique, la réalisation des élargissements de la section trans-versale au droit des zones de débranchement ou de convergence des bretelles, peut nécessiter des travaux depuis la surface (puits d’assez grandes dimensions, travaux de traitement et de consolidation des sols). Ces travaux nécessitent de pouvoir disposer d’emprises temporaires en surface. La localisation des échangeurs souterrains est alors également à déterminer en tenant compte de l’occupation des sols en surface.
c - Fonctionnalités à assurer – trafic
Les fonctionnalités, pour le tracé, concernent essentiellement les zones dans lesquelles sont à assurer les raccordements avec le réseau routier de surface (ou le cas échéant les interfaces avec d’autres infrastructures souterraines). Elles conditionnent l’implantation des têtes principales du tunnel, celle des entrées et sorties des bretelles, ainsi que la localisation des échangeurs.
La localisation de tous ces raccordements est également liée au volume de trafic dans le réseau souterrain, ainsi qu’à ses multiples entrées et sorties. Elle doit tenir compte de la capacité d’absorption du trafic dans le réseau routier de surface, et des aménagements à réaliser dans les points de raccordement, en vue d’éviter les congestions de circulation en souterrain, les accroissements d’accidents qui en résultent et les risques importants en cas d’incendie en tunnel.
d - Sécurité – risques d’accidents
L’analyse des réseaux existants montre une concentration des accidents dans les zones présentant une géométrie trop sinueuse, des pentes trop fortes, une visibilité insuffisante sur les points de débranchement ou de convergence des bretelles.
Tous ces éléments doivent être pris en compte attentivement dès les premières esquisses de tracé en plan et de profil en long d’un nouveau réseau.
e - Méthodes de construction - délais
Les méthodes de construction ont une incidence directe sur le tracé en plan et sur le profil en long, et réciproquement. Elles sont également très fortement guidées par les conditions géologiques, géotechniques et hydrogéologiques.
Les méthodes de construction peuvent avoir une incidence importante sur la position des têtes de tunnel. En particulier l’emploi d’un bouclier (à pression de terre ou à boue) nécessite des emprises importantes à la tête de démarrage des travaux, pour le montage du tunnelier, et pour l’ensemble des installations de chan-tier indispensables en tête (notamment traitement des boues, stockage provisoire). Un tunnel foré en méthode conventionnelle (quand les conditions de sol le permettent) nécessite moins d’installations rapprochées, et peut s’accommoder d’emprises plus réduites.
La recherche de délais de construction plus courts peut avoir une incidence sur le tracé et le profil en long, pour permettre par exemple la réalisation d’attaques intermédiaires.
f - Conditions environnementales
Lors de l’exploitation du réseau les principaux paramètres sont la qualité de l’air et l’impact sonore. Ces paramètres ont une incidence sur la position des têtes de tunnel, et celle des puits de ventilation. Ils doivent être analysés en intégrant les installations de ventilation, et les dispositions susceptibles d’être mises en œuvre pour permette de réduire l’impact environnemental.
La position des têtes, et par voie de conséquence des installations de chantier, doit être également analysée sous l’angle de l’impact environnemental en fonction des méthodes de construction et des délais. Par exemple une construction en méthode conventionnelle a un impact sonore plus important qu’une construction au tunnelier. Si la tête de tunnel est située en zone sensible, les travaux devront alors être suspendus en période nocturne, entrainant un allongement des délais et un renchérissement des coûts. Une modification de l’emplacement des têtes ou des adaptations de tracé peuvent réduire ces impacts.
1.7.3.2 Section transversale
Les recommandations du § 1.2.2 sont à compléter par les éléments suivants :
a - Nature du trafic - fonction
Comme mentionné au § 1.7.2.4.b ci-dessus, la nature du trafic est un facteur qui doit faire l’objet d’une analyse attentive, tant en ce qui concerne les conditions initiales que leurs évolutions dans le temps. De très nombreux réseaux souterrains urbains sont interdits à la circulation des poids lourds (plus de 3,5 t ou 12 t selon les cas), alors qu’ils ont été conçus avec des caractéristiques standards de gabarit vertical et de largeur des voies (définies pour le passage de véhicules de toute nature).
L’analyse de la "fonction" du réseau souterrain et de son évolution est fondamentale. Elle permet d’optimiser la section transversale par un choix de caractéristiques géométriques (gabarit vertical et largeur des voies) en adéquation avec la nature du trafic.
Les économies concernant les coûts de construction sont importantes (de 20 % à 30% selon les caractéristiques retenues). Elles peuvent le échéant permettre de rendre finançable, et donc réalisable, un projet qui n’aurait pas pu l’être avec des gabarits standards.
b - Volume du trafic
Le volume du trafic est bien évidemment déterminant pour définir le nombre de voies de l’ouvrage principal, ainsi que celui des bretelles des échangeurs, ou d’entrées et de sorties.
Il doit être pris en compte pour la définition de la longueur des voies de raccordement ou de débranchement des entrées et des sorties. Le risque de congestion, au raccordement des bretelles de sortie sur le réseau de surface, doit également être considéré, ainsi que les conséquences dans l’ouvrage principal (queue de bouchon) pour déterminer la nécessité ou non de concevoir une voie parallèle en amont du débranchement de la bretelle de sortie.
Les gaines de ventilation à inscrire à l’intérieur de la section constituent un facteur dimensionnant. À cet effet il est nécessaire de procéder à des analyses préliminaires de "sécurité et de dangers" et à un pré dimensionnement des installations de ventilation avant de figer définitivement les caractéristiques de la section transversale fonctionnelle. Cette approche est souvent itérative.
d - Géologie – géotechnique –hydrogéologie - méthodes de construction
Les conditions géologiques, hydrogéologiques et géotechniques, ainsi que les méthodes de construction (qui leur sont souvent liées) ont une incidence essentielle sur la forme et la surface de la section transversale. L’exemple suivant permet d’illustrer cette interaction.
En terrain meuble, situé dans la nappe phréatique, l’emploi d’un bouclier s’imposera naturellement pour la construction du tunnel principal, dont la forme sera donc circulaire. Mais la section transversale sera éga-lement conditionnée par d’autres fonctions :
pour un tunnel comportant deux tubes, les issues de secours sont le plus souvent assurées par des galeries de connexion entre les deux tubes. La réalisation de telles galeries dans l’exemple présent est extrêmement coûteuse, car nécessitant des travaux importants de consolidation par injection ou congélation. L’expérience montre qu’il est alors plus économique d’intégrer la galerie d’évacuation à l’intérieur de la section excavée et d’assurer les jonctions verticales avec la chaussée, dans les trottoirs,
le débranchement des bretelles de sortie, ou les voies d’insertion des bretelles d’entrée, nécessite des élargissements de la section sur plusieurs centaines de mètres. Ces travaux sont extrêmement couteux dans le cas du présent exemple. Il est en général plus économique de concevoir une section transversale avec une voie complémentaire qui sera utilisée, comme voie de sortie ou d’insertion au droit des bretelles, et comme bande d’arrêt d’urgence en section courante. La zone nécessitant des travaux coûteux d’élargissement est alors limitée à quelques dizaines de mètres et peut le cas échéant être réalisée au fond d’un puits provisoire, qui peut d’ailleurs être dimensionné pour permettre l’implantation et la construction de locaux techniques ou d’une station de ventilation.
1.7.3.3 Sécurité et exploitation
Les recommandations du § 1.2.3 sont intégralement applicables aux "réseaux routiers souterrains". L’approche des analyses doit toutefois prendre en compte la complexité des réseaux souterrains et le caractère aggravant de certains facteurs, notamment :
a - Trafic
Le volume de trafic est en général beaucoup plus important, et les congestions de circulation beaucoup plus fréquentes. Il s’ensuit que le nombre de personnes présentes en tunnel est beaucoup plus élevé, et qu’en cas d’incidents le nombre de personnes à secourir et à évacuer sera beaucoup plus important.
Les zones de convergence ou de divergence des bretelles constituent des points sensibles en termes de risques d’accident.
Le postulat, qui consiste parfois à affirmer dès le début d’un projet qu’il n’y aura jamais de bouchon de circulation, doit être analysé avec beaucoup de circonspection. Il est certes possible de réguler le volume de circulation entrant dans un réseau souterrain pour supprimer tout risque de formation de bouchon. Ceci conduit toutefois à baisser de manière très importante la capacité de l’ouvrage (en termes de volume de trafic), ce qui va souvent à l’encontre de l’objectif recherché et justifiant sa construction. Au fil du temps les dispositions de réduction du trafic entrant doivent être assouplies, voir abandonnées, pour faire face à la réalité. La probabilité et la récurrence des bouchons augmentent, rendant alors caduc le postulat initial sur lequel le réseau a été conçu (notamment en termes de sécurité et de ventilation incendie).
b - Évacuation des usagers – accès des secours
L’analyse doit tenir compte :
du volume potentiel plus important d’usagers à évacuer, et de la nécessité de renforcer en conséquence les moyens d’information, de communication et d’évacuation,
de la complexité liée au « réseau » et au nombre de ses branches, de la multiplicité éventuelle d’exploitants et à l’ensemble des interfaces qui en résultent, de la localisation précise des incidents et des usagers à secourir et évacuer,
des délais d’accès des secours compte tenu de la circulation et des éventuelles congestions du ré-seau de surface, d’une bonne identification du lieu des incidents, de leur repérage et de la définition adéquate des accès et des moyens à engager,
de la nécessité pour les secours d’avoir une très bonne connaissance du réseau, ce qui conduit à un renforcement des séances de formation et d’entrainement (voir aussi § 1.7.3.3.d ci-dessous).
L’installation de ventilation doit tenir compte :
du volume et de la nature du trafic, ainsi que de leur évolution dans le temps,
des risques de congestion de circulation, ce qui rend en général indispensable la construction d’une gaine d’extraction des fumées,
des contraintes résultant de l’environnement, et notamment des points de rejet de l’air pollué, du mode de rejet et de son acceptabilité. Ceci peut nécessiter le cas échéant :
l’implantation de points de rejet dissociés du tracé et la construction de galeries spécifiques de jonction,
la création d’installation de traitement de l’air avant rejet,
de la multiplicité des branches du réseau et de la nécessité de les rendre indépendantes les unes par rapport aux autres en cas d’incendie pour éviter une extension des fumées dans tout le réseau.
d – Communication avec les usagers
La communication avec les usagers est à renforcer et à adapter à la multiplicité des branches du réseau. La communication doit pouvoir être différentiée d’une branche à l’autre selon nécessité opérationnelle, notamment en cas d’incendie.
Les usagers doivent être en mesure d’identifier leur position à l’intérieur du réseau, ce qui nécessite par exemple la mise en place d’une signalisation spécifique, de codes couleurs, etc.
La pré-signalisation et la signalisation de direction sur les échangeurs doivent faire l’objet d’une attention particulière concernant notamment les distances de visibilité par rapport aux panneaux, et la bonne lisibilité de ceux-ci.
e – Besoins propres à l’exploitation
Les besoins propres à l’exploitation (cf. § 1.2.3.6 ci-dessus) sont à adapter à la complexité d’un réseau, au volume de trafic et aux difficultés accrues qui en résultent pour réaliser des interventions sous circulation.
1.7.3.4 Équipements d’exploitation et de sécurité
Les recommandations du § 1.2.4 ci-dessus sont intégralement applicables aux "réseaux routiers souterrains". Les analyses doivent toutefois prendre en compte la complexité des réseaux souterrains et les besoins ou conditions complémentaires mentionnés dans le présent chapitre 1.7.3.
Les interfaces entre les gestionnaires et exploitants des réseaux associés ou connexes doivent faire l’objet d’une analyse spécifique, en particulier pour tous les aspects concernant d’une part la gestion de la circulation, et d’autre part la sécurité (notamment incendie), l’intervention des secours, des services de lutte contre l’incendie, et l’évacuation des usagers.
Les postes de supervision doivent prendre en compte l’ensemble des interfaces. Ils doivent permettre la transmission des informations communes indispensables à chacun des gestionnaires, et éventuellement les "prises de commandes" partielles d’un poste de supervision sur un autre poste de supervision. La concep-tion de l’architecture d’ensemble des différents postes de supervision, de leurs moyens et de leurs performances doit faire l’objet d’une analyse globale des organisations, des responsabilités, des enjeux et des risques, dans les conditions normales d’exploitation comme en cas d’évènement grave, ou non, susceptible d’interagir entre les différents sous-ensembles du réseau sous la responsabilité de chacun des exploitants.
URL source: https://tunnels.piarc.org/fr/aspects-transversaux/considerations-strategiques

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