Manuel des tunnels routiers
Manuel des tunnels routiers
Ce chapitre comporte deux sous-ensembles principaux :
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 :
La dénomination "Réseaux Routiers Souterrains Complexes" recouvre les infrastructures suivantes :
Tous ces ouvrages présentent plusieurs caractéristiques communes :
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.
La méthodologie a été la suivante :
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
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.
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.
Les principales informations de synthèse détaillées dans le rapport d’analyse portent sur :
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 :
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.
f - Environnement
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 :
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.
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.
| Continents | Pays | Villes | Noms des "Ensembles de tunnels" | Annexes |
|---|---|---|---|---|
| Asie | Chine | Changsha | Tunnel routier de Yingpan | 1-1 |
| Japon | Tokyo | Chiyoda | 1-2 | |
| Yamate | 1-3 | |||
| Corée du Sud | Séoul | Shinlim-Bongchun et Shinlim-2 | 1-4 | |
| Europe | Autriche | Vienne | Kaisermühlen | 2-1 |
| Belgique | Bruxelles | Léopold II | 2-2 | |
| Belliard | 2-3 | |||
| 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 | ||
| Paris La Défense | Voie des Bâtisseurs | 2-10 | ||
| 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 | |
| M30 Rio | 2-17 | |||
| 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.
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.
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.
c - Ventilation
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 :
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 :
c - Ventilation
L’installation de ventilation doit tenir compte :
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.
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.
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