Manuel des tunnels routiers

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1.1. Un tunnel est un système complexe

1.1.1. Complexité du système

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. Sous-ensemble "Génie civil"

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

1.1.4. Sous-ensemble "Equipements d'exploitation"

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. Sous-ensemble "Sécurité"

1.1.5.1. Concept "Sécurité"

Fig. 1.1-5 : Facteurs qui ont un impact sur la sécuritéLes 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
INFRASTRUCTURE Impact Commentaires
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
EXPLOITATION Impact Commentaires
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
VEHICULES Impact Commentaires
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 Impact Commentaires
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

1.1.6. Synthèse

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.

Références

No reference sources found.