Comme mentionné exhaustivement dans le chapitre Considérations stratégiques de ce Manuel, les caractéristiques géométriques doivent être définies au stade le plus initial de la conception d'un tunnel, et même d'une liaison routière susceptible de comporter un ou plusieurs tunnels.
Ces caractéristiques sont de natures très différentes, et peuvent être groupées dans les catégories suivantes :
Ce chapitre se base essentiellement sur les Rapports Techniques 05.11.B "Géométrie de la section transversale des tunnels routiers à circulation unidirectionnelle" et 05.12.B "Conception de la section transversale des tunnels routiers bidirectionnels".
Le paragraphe Rapport entre méthode de construction et section transversale rappelle la relation entre la méthode de construction et la section transversale.
Le paragraphe Capacités de trafic théorique et pratique des tunnels reprend un résumé des notions théoriques liées à la capacité de trafic.
Le paragraphe Alignement général des routes et exemples nationaux rappelle les règles principales au sujet de l'alignement général des routes, y compris les valeurs principales utilisées dans quelques pays, et insiste sur la nécessité de maintenir les plus grandes caractéristiques géométriques de la route à l'air libre dans le tunnel lui-même (à l'exception importante de la pente maximum, qui doit être limitée).
Le paragraphe Géométrie de la chaussée traite spécifiquement du profil transversal de la chaussée des tunnels routiers, tant uni- que bidirectionnels.
Le paragraphe Gabarit en hauteur concerne le gabarit en hauteur des tunnels.
Le paragraphe Voie d'arrêt d'urgence, géométrie de la zone hors chaussée et éléments spéciaux concerne les voies d'arrêt d'urgence et les dispositifs hors chaussée, ainsi que les divers dispositifs de sécurité qui doivent se trouver dans le tunnel.
Le présent Chapitre 6 du Manuel a été rédigé par Willy De Lathauwer (Belgique), membre associé du comité C4 en qualité de représentant de l'AITES.
Pierre Schmitz (Belgique), Président du comité, a procédé à la relecture du texte français
Dans le cas des tunnels routiers, le profil est en général rectangulaire ou circulaire, et dépend essentiellement de la méthode de construction. Au tableau 6.1-1 figurent les profils en travers les plus courants et les méthodes de construction correspondantes.
Les dimensions retenues dépendent des dimensions du profil en travers nécessaire à la circulation. Elles varient en fonction des données suivantes :
D'un pays à l'autre, les réponses aux données mentionnées ci-dessus varient énormément. Dans un même pays, elles varient et évoluent dans le temps.
| N° | Profil en travers | Méthode typique de construction |
Commentaires |
|---|---|---|---|
| 1 | Circulaire | Tunnelier | Récemment utilisée au Japon pour le profil en travers rectangulaire |
| 2 | Rectangulaire | Tunnel immergé | Aux Etats-Unis, le profil en travers circulaire est couramment employé |
| 3 | Rectangulaire | Tranchée couverte | Le béton précoulé est parfois utilisé pour construire des profils en travers circulaires au-dessus de la chaussée |
| 4 | Fer à cheval | Dynamitage | Utilisé dans le cas des roches dures |
| 5 | Section circulaire et radier en ellipse | Méthodes de soutènement durant le creusement | Dans le cas de roches dures, le profil en fer à cheval est souvent employé |
La capacité théorique d'un tronçon routier est l'intensité maximale du trafic par heure. Elle se calcule en fonction du nombre maximum de voitures particulières passant en l'espace de 15 minutes, multiplié par le coefficient correspondant à l'heure de pointe. Ce chiffre n'est pas un maximum absoluil se fonde sur une répétabilité raisonnable. Ainsi exprimée, la capacité théorique dépend uniquement du nombre et la largeur des voies de circulation et de la pente du tronçon, et ne dépend pas du pourcentage des véhicules lourds, puisqu'il est évident que l'intensité sera maximale lorsque le trafic sera uniquement composé de véhicules légers et d'usagers réguliers. Quand aucun élément ne la limite, la capacité théorique est approximativement 2.200 véhicules par heure par voie de circulation (v/h x l). Plus d'informations sont disponibles dans le Chapitre 4 "Capacité et vitesse en fonction de la géometrie des routes et des tunnels routiers" du rapport 05.11.B et dans le Chapitre 3 "Vitesses de circulation et densités du trafic" du rapport 05.12.B.
La capacité pratique d'une section se calcule en fonction de la capacité théorique, lorsqu'elle n'est limitée par aucun élément. Les coefficients de limitation appliqués en fonction des caractéristiques réelles de la route sont :
La capacité pratique d'une chaussée dans un sens, Cp, est calculée comme suit :
Cp = 2200 . N . Cl . Cpl . Cc où N est le nombre de voies.
Les facteurs peuvent ensuite être calculés et adaptés selon des formules et des tables données dans les rapports: voir le Chapitre 4 "Capacité et vitesse en fonction de la géometrie des routes et des tunnels routiers" du rapport 05.11.B et dans le Chapitre 3 "Vitesses de circulation et densités du trafic" du rapport 05.12.B.
Plus d'informations peuvent également être trouvées dans le HCM (Highway Capacity Manual) édité par le Transport Research Board (Etats-Unis).
Les courbes de faible rayon devraient être évitées, particulièrement si elles sont reliées à un alignement droit. On devrait observer une courbure minimale de 550-600 m. Les dégagements latéraux doivent également permettre la visibilité longitudinale dans les courbes.
Dans les tunnels urbains, il convient de dimensionner l'ouvrage avec des vitesses de référence proches de la vitesse réellement pratiquée en régime fluide et non congestionnée.
En raison de l'influence sur la vitesse, les profils longitudinaux descendants conduisent à davantage d'accidents, particulièrement dans le cas de volumes de trafic élevés.
Des réductions de section transversale sont dangereuses et peuvent conduire à des accidents.
Une attention devrait être accordée au point que, si la largeur de la chaussée et/ou de la surlargeur latérale dans le tunnel et au droit de la section d'approche est inférieure à celle de la route à l'air libre, ces rétrécissements devraient être mis en application loin avant le portail du tunnel et aussi progressifs que possible: voir le Chapitre 4.7 "Conception des têtes de tunnel" du Rapport 2008R17.
Pour les ouvrages rectangulaires ou avec faux-plafond de ventilation, on note souvent des accidents avec les véhicules hors gabarits.
Il est conseillé d'installer à l'extérieur du tunnel, avant chaque portail, un itinéraire de déviation fléché ainsi qu'un système permettant d'arrêter physiquement les véhicules hors gabarit.
Le Paragraphe IV.2.6 "Gabarit en hauteur" du Rapport 05.04.B fournit plus d'information sur ce sujet.
Les tunnels bidirectionnels conduisent à davantage d'accidents que les tunnels unidirectionnels. Les utilisateurs observent néanmoins assez bien l'interdiction de dépasser rattraper en cas de gradients moyens. En cas de gradients raides, il serait être approprié cependant de prévoir une voie de circulation supplémentaire pour les véhicules lents.
Il est fortement conseillé de ne pas modifier la direction du trafic pour absorber les crêtes quotidiennes de trafic.
Ceci pourrait être avantageux pour les tunnels longs phasés sur autoroute et où l'on essaie d'optimiser la construction d'un tube (bi en 1ère phase et uni en seconde phase) à condition que la largeur roulable soit dimensionnée en conséquence et suffisamment large. Ceci afin d'aborder quelques pointes de trafic (vacances d'été ou d'hiver). Même si sur le plan de la sécurité routière cette disposition peut quand même être satisfaisante, elle est à éviter dans toute la mesure du possible. Pour les tunnels urbains cette solution est à proscrire.
Les échangeurs souterrains (bretelles d'accès et de sortie) peuvent causer des accidents. Ils doivent être correctement conçus. On prendra également soin de ce que l'éclairage souligne ces points singuliers et les difficultés géométriques auxquelles l'usager devra faire face. Il faut veiller à une perception appropriée.
A l'intérieur du tunnel, les sorties doivent être localisées à une certaine distance du portail d'entrée. On note dans un certain nombre d'ouvrages où la bretelle est implantée directement après l'ouvrage, un certain nombre d'accidents, la plupart corporels. Dans le cas des ouvrages où la latitude d'implantation est très réduite, il conviendrait d'affecter en tunnel une voie supplémentaire pour la bretelle de sortie.
Fig. 6.4-1 : Exemple de section transversale
La terminologie doit être définie comme suit :
Des informations supplémentaires sur ce sujet sont disponibles dans le Chapitre 2 "Terminologie" du Rapport 05.11.B.
Pour faciliter la gestion des routes, celles-ci sont hiérarchisées selon leurs fonctions.Les réseaux routiers de plus grande importance sont ceux qui traversent plusieurs états, tels que le réseau routier transeuropéen ou les autoroutes américaines inter-Etats. Les réseaux nationaux sont composés de routes reliant les centres urbains et économiques nationaux. Les réseaux régionaux relient les villes régionales. Les critères fonctionnels des différents réseaux ou routes sont définis en termes de vitesse, de niveau d'encombrement, de distances entre intersections, etc.
La plupart des pays ont des directives et des recommandations propres concernant les caractéristiques géométriques de la chaussée. Une comparaison des directives internationales est donnée au Chapitre V "Les voies et la chaussée" du Rapport 05.11.B.
| Pays et nom de la source | Vitesse de conception ou de référence (km/h) |
Largeur de la voie de circulation (m) | Largeur du marquage (m) | Largeur de la chaussée (m) |
|---|---|---|---|---|
| Allemagne | 100 (26 T, 26 Tr) | 3,50 | 0,15 | 7,00 |
| Allemagne RABT 94 | 110 (29,5 T) | 3,75 | 0,15 |
7,50 |
| Allemagne RAS-Q 1996 | 70 (26 t) | 3,50 | 0,15 | 7,00 |
| Autriche RVS 9.232 | 80 - 100 | 3,50 | 0,15 | 7,00 |
| Danemark (Pratique) | 90 - 120 | 3,60 | 0,10 | 7,20 |
| France (CETu) | 80 - 100 | 3,50 | ? | 7,00 |
| Japon | 80 - 120 | 3,50 | 7,00 | |
| Japon Road Structure Ordinance | 60 | 3,25 | 6,50 |
Il est recommandé que la largeur des voies dans les tunnels présentant une vitesse de circulation de 100 km/h ne soit pas inférieure à 3,50 m. lorsqu'il est acceptable ou nécessaire d'imposer des vitesses réduites limites (80 ou même 60 km/h) dans les tunnels routiers (par exemple, en cas de virages serrés inévitables, de lutte contre le bruit en agglomération, de capacité limitée, de réduction des coûts) une diminution de la largeur des voies (à 3,25 m par exemple m) peut inciter les automobilistes à réduire leur vitesse et donc les aider à respecter la vitesse limite. Cette mesure doit être généralement associée à des contrôles fréquents et des amendes élevées. Dans certains tunnels urbains, où seulement des véhicules légers sont autorisés, des voies de circulations plus étroites sont acceptées ; dans les courbes une attention doit être accordée à l'influence du dévers du revêtement sur la largeur de la structure.
Des informations complémentaires figurent au Chapitre V "Les voies et la chaussée" du Rapport 05.11.B et aux Paragraphes 7.1 à 7.5 du Chapitre 7 "Géométrie de la section transversale" du Rapport 05.12.B.
La hauteur libre minimale au-dessus des chaussées est au moins égale à la hauteur (de base) maximale des poids lourds autorisée sur la route, majorée de l'espace nécessaire en prévision des mouvements de roulis dus aux irrégularités de la chaussée et du véhicule. Cet espace supplémentaire est équivalent à la différence entre la largeur des voies et la largeur des véhicules de tourisme.
La hauteur libre minimale dépend de la hauteur maximum des véhicules lourds et varie d'un pays à l'autre. Dans la plupart des pays européens la hauteur maximum des véhicules lourds est de 4,00 m ; certains pays permettent des valeurs plus élevées (R-U, Etats-Unis): voir le tableau 7.1 du Chapitre 7 "Hauteur libre" du Rapport 05.11.B.
Dans l'Union européenne la hauteur maximum des véhicules lourds est de 4,00 m. Si l'on ajoute à cette hauteur maximum une marge de 0,20 m pour absorber les mouvements verticaux des camions la hauteur minimum exigée est de 4,20 m.
Outre ce minimum un espace supplémentaire est nécessaire pour que les conducteurs de poids lourds se sentent à l'aise. Cette marge de confort est équivalente à la distance de l'objet. La hauteur minimale plus la marge de confort donne la hauteur libre. Si la valeur de cette marge de confort ou distance de l'objet est de 0,30 m, la hauteur libre sera de 4,50 m (R-U 5,35 m, Etats-Unis 4,90 m sur les autoroutes, 4,30 m sur d'autres routes)
On prévoit souvent une marge supplémentaire si les équipements montés au-dessus de la chaussée sont recouverts d'une protection ( bâche souple par exemple).
Enfin, il faut prévoir une marge pour les tolérances de construction, la courbure du plafond et les éventuels resurfaçages : voir le Chapitre 7 "Hauteur libre" du Rapport 05.11.B et le Chapitre 7.8 "Dégagements verticaux" du Rapport 05.12.B.
Le cas spécifique de la conception géométrique des tunnels urbains à gabarit réduit est traitée séparément, car ils sont normalement réservés aux voitures et à quelques catégories restreintes de camionnettes (légères).
L'étude complète a été effectuée pour la France et implique les points spécifiques suivants, dus à la présence de voitures principalement, figurant dans l'article "Tunnels urbains à gabarit réduit: conception géométrique" (Routes/Roads 288 - 1995) :
Pour faciliter et clarifier la communication et la comparaison il est nécessaire de définir un nombre minimal de termes concernant la chaussée et les zones latérales. Le groupe de travail qui a produit le Rapport 05.11. B. "Géométrie de la section transversale des tunnels routiers à circulation unidirectionnelle" a décidé d'appliquer la terminologie suivante :
Cette distinction est justifiée puisqu'il semble exister un consensus sur l'utilisation et les dimensions de la chaussée, alors que les dimensions et les critères relatifs aux éléments de la zone hors chaussée varient énormément d'un pays à l'autre.
Sur les routes en plein air du type autoroutier habituellement une voie d'arrêt d'urgence est habituellement prévue. Des zones latérales sont souvent restreintes dans les tunnels pour des raisons économiques. Cette restriction peut rendre impossible aux véhicules en panne de se garer dans cette zone à côté de la voie de circulation sans occuper une partie de cette voie et de ce fait de perturber le trafic.
La géométrie des zones hors chaussée varie entre les pays, et donc aucune règle générale ou chiffre ne peut être donné. Dans beaucoup de pays, dus aux coûts, la largeur du dégagement dur est trop faible pour garer convenablement un véhicule. C'est pour cela que, à certaines distances, des aires de stationnement sont mises à disposition. Cependant les expériences norvégienne et espagnole montrent que seulement 40 % des véhicules en panne atteignent ou utilisent ces aires de stationnement. Ceci démontre que ces aires de stationnement ne peuvent entièrement remplacer des voies d'arrêt d'urgence: voir les Paragraphes 8 à 10 du Chapitre III "Pannes" du Rapport 05.04.B.
Le danger que peut constituer la présence de garages ou d’autres obstacles latéraux vis à vis des usagers des tunnels a été étudié dans le rapport technique 2016R16FR intitulé : « Garages et protection contre les obstacles latéraux : les pratiques actuelles en Europe ». Ce rapport présente les résultats d’une étude menée dans différents pays européens en vue de collecter des informations concernant le nombre et la géométrie des garages, le retour d’expérience d’accidents impliquant des garages ou d’autres obstacles latéraux, des références d’études menées sur ce sujet et d’autres informations pertinentes. Les initiatives entreprises pour améliorer la sécurité des usagers vis-à-vis des obstacles latéraux sont mises en exergue et les conclusions générales du travail réalisé sont détaillées.
La voie d'arrêt d'urgence devrait donner la possibilité de garer une voiture en panne en dehors de la chaussée. Par conséquent la largeur mesurée à partir du côté externe du marquage devrait être au moins la largeur d'une voiture de tourisme (1,75 m) plus une largeur de 0,50 m pour permettre aux automobilistes de descendre, résultant en une voie de 2,45 m. En cas de circulation dense, une voie plus large peut être mise à disposition.
Au cas où des camions devraient également être garés en dehors de la chaussée une largeur de (2,50 + 0,50 + 0,20 =) 3,20 m est nécessaire comme expliqué dans le Chapitre 6 "La zone hors chaussée" du Rapport 05.11.B.
Figure 6.6-1 : Profil typique d'une barrière de sécurité dans la zone hors chaussée
Les barrières de sécurité désignent généralement des « constructions massives destinées à guider sans risque les véhicules heurtant la paroi latérale du tunnel en les renvoyant en direction du trafic ». Elles diffèrent des glissières, qui sont d'un type flexible ou fragile, retenues par des poteaux, pour empêcher des véhicules de se heurter à la paroi latérale du tunnel.
Dans le cas des tunnels il convient de se demander si la distance de l'objet doit être déterminée par la distance entre le bord interne de la ligne de rive et le bord du trottoir, la partie avant des barrières en béton ou des glissières de protection, ou le piédroit du tunnel. En cas d'utilisation de trottoirs peu élevés, tous les experts s'accordent à dire que la distance à la paroi du tunnel est une bonne mesure. En l'absence de trottoir, il convient de mesurer la distance à la base ou à la partie inférieure ou supérieure des glissières de sécurité.
Dans les tunnels en particulier, les automobilistes préfèrent maintenir une certaine distance par rapport à la paroi (au trottoir,à la glissière ou à la barrière en béton), car leur angle de vue est plus limité. Lorsque la distance de l'objet est plus petite que sur la route en rase campagne, l'expérience montre que les automobilistes modifient leur trajectoire pour maintenir une certaine distance par rapport à la paroi du tunnel. : voir le Chapitre 6 " La zone hors chaussée" du Rapport 05.11.B.
Si les véhicules franchissant la ligne de rive ne redressent pas leur trajectoire à temps, les conséquences de leur collision contre la paroi doivent être réduites, à l'aide des barrières en béton ou des glissières. Les premières prennent moins de place que les secondes. Lorsqu'un véhicule heurte une barrière en béton avec un angle faible, il peut être remis dans le sens normal de circulation, ce qui peut éviter un accident grave. Lorsqu'un véhicule heurte une barrière en béton avec un angle important, les conséquences de la collision peuvent être graves. Les glissières métalliques ne sont pas aussi efficaces que les barrières en béton pour corriger ou redresser la trajectoire des véhicules déportés, mais causent moins de dommages en cas de collision avec un angle important. C'est pourquoi les barrières en béton son préférables sur les accotements étroits, et les glissières métalliques sur les accotements larges. En effet le fonctionnement d'une glissière nécessitant un espace plus important pour sa déformation, le tunnel doit être plus large, ce qui est souvent impossible du point de vue financier. En outre, les barrières en béton sont plus performantes à des vitesses réduites et nécessitent moins d'entretien.