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vendredi 5 février 2016

Caractéristiques géométriques et profil en long

Caractéristiques géométriques et profil en long

Les  données du  projet diffèrent suivant la destination finale des ouvrages. Nous examinerons donc les  données habituelles propres à chaque type de  tunnel.
Tunnels ferroviaires
Section transversale

La  section utile  d’un  tunnel ferroviaire dépend  de  plusieurs facteurs et,  en  premier lieu,  du gabarit du  matériel roulant appelé à circuler sur la ligne.

profil-en-longOn distingue en général le contour de référence et le gabarit limite des obstacles qui  tient compte de la nécessaire distance de  sécurité et  du  surprofil  nécessaire dans le cas  des voies en  courbe et  en dévers. Le contour de référence a évolué avec le temps, tout d’abord en  fonction de  l’électrification  des lignes pour y  inscrire les caténaires. 

Cette   première évolution a entraîné  de nombreuses modifications des profils de  tunnels (alésage des maçonneries ou abaissement des voies) aujourd’hui pratiquement  achevées. 


Une  nouvelle série de  travaux se fait  jour  actuellement pour permettre le « ferroutage », c’est-à-dire le transport des marchandises dans des « contenants »  spécialisés, par  plusieurs modes  de  transports successifs sans manutention des marchandises elles-mêmes.
profil-en-long-courant

 Il peut s’agir de conteneurs maritimes ou terrestres ou de semi-remorques routières.

 Tous ces  engins font l’objet de  standards internationaux qui  conduisent,  dans certains cas, à des gabarits  (figure 3) moins écornés dans leur  partie supérieure que le gabarit A actuel ; il s’agit du  gabarit B (ou  B +). 

 La  SNCF  s’emploie à faire en  sorte que ce nouveau gabarit soit  respecté sur  quelques grandes  liaisons. Un gabarit  C  permettant d’accepter indifféremment tous les  types de conteneurs actuels, mais qui  comporte  une surhauteur de  0,40 m, pourrait être pris  en considération sur  certaines lignes nouvelles. 

Un chiffre indique bien l’ampleur du  problème des gabarits, c’est celui du  nombre total de  tunnels  en  exploitation sur  le  réseau français, soit  1 354 pour une longueur cumulée de  536 km.

Un  autre facteur intervient sur  les  lignes où doivent circuler des trains à grande vitesse, c’est  la  notion du  volume minimal d’air à réserver  autour du gabarit pour limiter les  effets du pistonne- ment qui  nuisent à la fois  au  confort des passagers et augmentent les  dépenses en  énergie  de  traction. 

Le problème s’est posé pour la première fois sur la ligne TGV Atlantique. Dans les tunnels à double voie, on  a adopté des sections utiles de  55 à 71 m2  suivant que la vitesse prévue  était de  200  ou  270 km/h. Dans le  cas  du  tunnel  de Villejust (figure 4), la section utile est de  46,5 m2  pour un  tunnel à une seule voie  et  une vitesse  de  270 km/h. Enfin,  d’autres critères peuvent  intervenir dans le  choix de  la  section et,  en  particulier, la méthode d’exécution. 

 L’exemple  le plus fréquent est celui de l’utilisation d’un  bouclier mécanisé qui  entraîne généralement  le choix d’une section circulaire.
Lorsqu’il ne s’agit pas d’une ligne ferroviaire classique, les gabarits peuvent être notablement différents. Ainsi,  pour les  métros urbains (figure 5),  dans le  cas   d’un   système VAL (métros de  Lille  et  de Toulouse), le diamètre intérieur des tunnels n’est que de 4,60 m pour une voie. 

À  l’inverse, pour le  tunnel sous la  Manche (figure 6), le gabarit des navettes de  transport des  voitures est très largement supérieur à celui des véhicules SNCF  classiques. 

Le diamètre inté- rieur du  tunnel n’est cependant que de  7,60 m  parce que la voie  a pu  être calée à un  niveau relativement bas dans le profil.

Profil en long et tracé en plan


Sur  les  lignes anciennes, il existe, en  zone  montagneuse,  des pentes pouvant atteindre 43 ‰  à l’air  libre  et  34 ‰ en  tunnel. La réduction  s’explique par  la  diminution d’adhérence due à  l’atmo- sphère plus  humide des souterrains. 

Sur  les  lignes récentes, on s’efforce, à l’air libre  ou  en souterrain, de  ne  pas dépasser le seuil de  12 ‰ pour les  transports de  marchandises et  le ferroutage. Sur  les lignes à grande vitesse, on pourrait admettre des pentes jusqu’à 35 ‰, mais on  se limite en  général à 25 ‰ (cas du TGV Atlantique). 

Les  courbes de  raccordement  entre rampes successives doivent avoir   un  rayon  minimal de  12 000  m  dans le  cas  des lignes courantes ; il est de  16 000 m  dans le cas  des TGV.

Quant au  tracé en  plan, les  rayons minimaux imposés dépendent de  la  vitesse des convois : de  2 000 m  dans les  tronçons de  ligne où la vitesse est limitée à 100 km/h, à 6 000 m sur  les lignes à grande vitesse (300 km/h).

Pour les  réseaux de  transport urbain, les  caractéristiques  mini- males sont sensiblement moins sévères.

Tunnels routiers
Section transversale

Le  premier des facteurs à prendre en  compte  pour la  définition de  la section transversale d’un tunnel routier résulte naturellement des caractéristiques  de la voie à laquelle il va livrer passage.

Dans son rapport au  XVe congrès  mondial de  la Route à Mexico en  1975,  qui  fait encore autorité sur ces  points, le Comité technique français des tunnels routiers indiquait que « les  voies de circulation dans les tunnels doivent avoir la même largeur que celle à l’air libre  aux  approches du tunnel ».

Si  une surlargeur des voies elles-mêmes  semble  effectivement inutile au  seul motif qu’il s’agit de  tunnel, par  contre :


  •  la largeur de  chaque voie  doit  être, comme à l’air libre, fixée  à 3,50 m pour les  voies à grande circulation ou  les  autoroutes, avec réduction possible à 3,25 m  en  zone urbaine ou  en montagne.
  • les dégagements latéraux doivent être d’une largeur suffisante pour éviter l’« effet  de  paroi ».  Une  largeur de  1 m  entre la  bande de circulation  latérale et  la  paroi, ou  tout   obstacle surélevé, est souhaitable ;
  • dans le cas  où  une bande d’arrêt d’urgence existe à l’air libre, sa largeur peut être, dans  certains cas,  réduite dans le  tunnel, à condition que la signalisation soit  adaptée en  conséquence et  que des limitations de  vitesse soient imposées.
  •  Dans d’autres cas, elle est remplacée, notamment dans les  tunnels de  grande largeur, par  des  niches latérales de  20  à 25 m  de  longueur  régulièrement espacées.
La  hauteur libre au droit des voies de  circulation  doit, en principe, être  telle qu’elle  réserve un   intervalle libre   de   0,50 m au-dessus de  la hauteur des véhicules normalisés admis à circuler de  façon habituelle, ou  de  0,25 m au-dessus des véhicules admis à titre exceptionnel et  à vitesse réduite. La hauteur libre  est souvent fixée  à 4,50 m pour les  voies acceptant les  poids lourds et à 2,50 m dans le cas  des tunnels réservés aux  seuls véhicules légers.

Dans  la  pratique, les   gabarits des tunnels  bidirectionnels des grandes traversées alpines et  pyrénéennes varient, en  largeur de chaussée,  entre 7,50 m  et  9 m  et,  en  hauteur, de  4,50 m  à  4,60 m. Dans le cas  de tunnels autoroutiers unidirectionnels à 2 voies, la lar- geur de  chaussée conseillée est plutôt voisine de  9 m comme pour les  autoroutes à l’air libre.

Lorsque, pour des raisons de  construction ou  de  stabilité, on adopte une section voûtée, les nécessités de la ventilation n’influent généralement pas sur  les  dimensions de  la section.

Si  le  tunnel n’est pas de  très grande longueur  (2  à 3 km)  ou  s’il existe  des   puits  de    ventilation  intermédiaires   suffisamment rapprochés, la  voûte peut abriter, au-dessus du  gabarit, soit   les ventilateurs (cas d’une  ventilation  de   type longitudinal), soit   les gaines d’alimentation d’air  frais ou  de  retour d’air  vicié (ventilation de  type transversal ou semi-transversal).

Dans  certains cas  néanmoins, les  impératifs de  la  ventilation peuvent obliger à un  accroissement de  la section totale à excaver.
Pour  les  tunnels de  section rectangulaire, la  ventilation influe habituellement sur la définition de la section de l’ouvrage, soit qu’elle nécessite  une hauteur supplémentaire pour y installer les  ventila- teurs, soit  qu’elle conduise à augmenter la largeur pour y placer les carneaux de  ventilation
Profil en long et tracé

La déclivité maximale doit  rester, autant que possible, telle qu’elle permette de  maintenir la capacité de  service de  la route : jusqu’à 4 à 6 % dans les  tunnels urbains de  courte longueur, mais seulement
2 à 3 % sauf exception sur  les  longs tunnels autoroutiers. Lorsqu’il est nécessaire d’adopter des pentes plus fortes, sur  des longueurs importantes, il pourra être souhaitable de  prévoir une voie  supplé- mentaire pour les  véhicules lourds dans la mesure où  leur  vitesse risque de descendre au-dessous de  50 km/h. Mais  cette disposition est souvent très pénalisante du  point de vue  de  l’investissement et on  devra s’efforcer d’éviter d’avoir à y recourir.
Figure 4-  Coupe type du tunnel de Villejust
Figure 5- Sections transversales de 4 métros en service en France
On   recommande de  ne  pas descendre  au-dessous d’une pente de  0,25 % pour éviter la stagnation des eaux de  ruissellement.
Les  rayons de  raccordement entre les  déclivités  sont avant tout conditionnés par  la  distance  minimale de  visibilité, fonction elle-même de  la vitesse autorisée.
Le tracé en  plan en  tunnel respecte, en  général, les mêmes règles que dans les  zones à l’air libre. Si des rayons très serrés sont indis- pensables, une surlargeur peut être requise pour respecter le gabarit dans le  cas  des véhicules longs. À  défaut,  il faudra prescrire une réduction sensible de  la vitesse autorisée.
Figure 6-  Section transversale du tunnel sous la Manche
Galeries hydrauliques
Section transversale
 Il s’agit essentiellement des galeries incluses dans les  aménage- ments hydrauliques destinés à  la  production d’énergie : galeries d’amenée en charge en  amont des groupes de  production, galeries de  fuite  en  aval  pour la restitution de l’eau turbinée ou  de  l’eau  de refroidissement  dans le  cas  des centrales nucléaires.

Dans   les aménagements de  compensation destinés au  stockage d’énergie pour faire  face  aux  irrégularités de  la  consommation, certaines galeries peuvent fonctionner alternativement  comme galeries d’amenée en charge et comme galeries de refoulement dans la phase de pompage. 

Dans tous les cas, la section des galeries est déterminée en  fonction des débits à amener ou  à évacuer pour que le régime hydraulique corresponde à la perte de charge la plus faible possible.

La section circulaire tend à se généraliser dans les projets récents avec le développement de  l’emploi des tunneliers pour les  creuse- ments et en  raison de  ses avantages à la fois  sur  le plan de  l’écoule- ment et  sur  le  plan de  la  stabilité des parois et  du revêtement.

 La plupart des galeries hydrauliques (90 %) sont revêtues, soit  en béton coffré, soit  en  béton projeté. Les  galeries en  charge sous plus de 10 m  comportent généralement  un  blindage  métallique destiné à résister à la pression intérieure de  l’eau.
 Profil en long et tracé
S’agissant de centrales hydrauliques, les galeries sont implantées en  région de  montagne.  Leur  tracé et  leur  profil  sont définis en fonction de  la topographie et  de  la qualité des terrains à traverser. Le projet doit ainsi tendre vers un optimum pour concilier les nécessi- tés hydrauliques (tracé direct, pertes de charge aussi faibles que pos- sible) et  la réduction des aléas géologiques.

Si  une  galerie doit  être  creusée à partir de  plusieurs attaques (fenêtres intermédiaires ou  extrémités), on  s’efforcera d’éviter les attaques descendantes, surtout s’il y a risque de rencontre de terrains très   aquifères.

 Dans   les  zones  semi-horizontales,  on  prévoit généralement  une  pente minimale de  quelques millimètres par mètre  pour faciliter la  collecte des eaux  d’infiltration pendant  le creusement.

À noter que l’utilisation de tunneliers facilite l’exécution de galeries très fortement inclinées (40 à 50 %) où le marinage des déblais sera réalisé  gravitairement. De  telles galeries constituent  souvent la portion aval  des galeries d’amenée en charge dans les équipements hydroélectriques les plus récents.

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