Manuel des tunnels routiers

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1.2. Études générales et conception (tunnel neuf)

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.

1.2.1 Le tracé (tracé en plan et profil en long)

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 Le profil en travers fonctionnel

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 La Sécurité et l'Exploitation

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,
  • ventilation,
  • 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).

1.2.4 Les équipements d'exploitation

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,
  • installation d'un système secouru par « batterie onduleur ».
  • 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 :

  • Installations de traitement de l'air
  • 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.