Un système complexe

• 1. Complexité du système
• 2. Sous-ensemble "Génie civil"
• 3. Sous ensemble "Ventilation"
• 4. Sous-ensemble "Equipements d'exploitation"
• 5. Sous-ensemble "Sécurité"
• 6. Synthèse

1.    COMPLEXITÉ DU SYSTÈME

Un tunnel constitue un "système complexe" qui est le résultat de l'interaction de très nombreux paramètres. Ces paramètres peuvent être regroupés par sous-ensembles, dont les principaux sont représentés dans le schéma ci-dessous (Figure 1).

Tous ces paramètres sont variables et interactifs, au sein de chaque sous-ensemble et entre les sous-ensembles eux-mêmes.
La pondération relative des paramètres et leur caractère varient selon la nature de chaque tunnel. Par exemple :

•    les critères de détermination et la pondération des paramètres ne sont pas les mêmes pour un tunnel urbain et un tunnel de montagne ;
•    les paramètres diffèrent pour les tunnels courts et longs, pour les tunnels traversés par des véhicules transportant des marchandises dangereuses et pour ceux transportant uniquement des véhicules de tourisme ;
•    les critères ne sont pas les mêmes pour un tunnel nouvellement construit ou pour un tunnel devant être rénové ou mis en conformité avec les nouvelles normes de sécurité.

Figure 1 : Diagramme des principaux sous-ensembles du "système complexe - tunnel"

Note 1 : les liaisons sont multiples et souvent réversibles - le concept général du tunnel et la section fonctionnelle sont placés au centre de la figure. Des schémas similaires pourraient être établis en plaçant d'autres facteurs au centre de la figure.

Note 2 : le premier cercle représente les "domaines techniques". Certains champs représentent des aspects multiples :

•    la sécurité : réglementation - analyse des risques - moyens d'intervention - exigence de disponibilité,
•    géologie : géologie - géotechnique - dimensionnement des structures,
•    travaux de génie civil : méthodes - calendrier de construction - risques et dangers,
•    fonctionnement : exploitation et maintenance (aspects techniques),
•    coûts : construction - exploitation - entretien quotidien - grosses réparations,
•    environnement : réglementation - diagnostic - évaluation des incidences - traitement et atténuation.

Note 3 : le deuxième cercle représente le "contexte" dans lequel le projet doit être développé. Certains éléments représentent des aspects multiples :

•    environnement humain : sensibilité - urbanisation - présence de bâtiments ou d'infrastructures,
•    environnement naturel : sensibilité - eau - faune - flore - qualité de l'air - paysage,
•    nature du transport : nature et volume du trafic - typologie - types de marchandises transportées - etc.
•    diverses contraintes externes : accès et contraintes particulières - conditions climatiques - avalanches - stabilité du terrain - 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 partenariat public-privé (PPP).

La conception d'un nouveau tunnel (ou la rénovation et la modernisation d'un ancien tunnel) nécessite la prise en compte de ces nombreux paramètres. L'arbre de décision relatif à ces paramètres est complexe et nécessite

l'intervention de parties multidisciplinaires expérimentées. Celles-ci doivent intervenir le plus tôt possible, pour les raisons suivantes :

•    pour permettre la prise en compte de tous les paramètres pertinents dès le début du projet, et pour éviter les nombreux pièges potentiels constatés dans les projets en cours ou dans les tunnels récemment achevés. Parmi ces erreurs figurent la prise en compte tardive des équipements nécessaires à l'exploitation et à la sécurité, et la mise en place d'un système de supervision sans intégrer les résultats des analyses de risques, du plan d'intervention d'urgence ou des procédures d'exploitation. Le tunnel et ses systèmes et équipements d'exploitation et de surveillance peuvent dans cette hypothèse s’avérer inadaptés à une exploitation sûre et fiable.
•    une intervention précoce 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 indiquent que les optimisations transversales (génie civil - ventilation - évacuation de sécurité) réalisées aux premiers stades du projet peuvent contribuer à une réduction des coûts d'environ 20 %.

Chaque tunnel est unique et une analyse spécifique doit être développée, tout en tenant compte de toutes les conditions spécifiques et particulières. Cette analyse est essentielle pour apporter des réponses appropriées et permettre :

•    l'optimisation du projet d'un point de vue technique et financier ;
•    la réduction des risques techniques, financiers et environnementaux ;
•    l’atteinte du niveau de sécurité requis pour les usagers du tunnel.

Il n'y a pas de "solution de la clé magique", et un simple "copier-coller" est presque toujours inadapté.

La conception et l'optimisation d'un tunnel nécessitent :

•    un inventaire exhaustif et détaillé de tous les paramètres,
•    une analyse des interactions entre les paramètres,
•    l'évaluation du degré de flexibilité de chaque paramètre et, le cas échéant, de la sensibilité de chacun d'entre eux par rapport aux objectifs requis,
•    une approche holistique pour réussir, car :
o    une approche purement mathématique n'est pas possible, car le "système" est trop complexe et il n'y a pas de réponse unique ;
o    trop de paramètres sont encore non spécifiés ou variables au cours des premières étapes d'un projet, mais des choix essentiels doivent encore être faits ;
o    l'évaluation des risques, leur gravité et leur probabilité d'occurrence doivent être prises en compte ;
o    de nombreux paramètres sont interdépendants et de nombreuses interactions sont circulaires.

Plusieurs exemples sont donnés ci-dessous pour montrer comment il est possible de clarifier la complexité, l'interactivité, ainsi que le caractère itératif et "circulaire" de l'analyse.

Ces exemples ne sont pas exhaustifs. Leur but est simplement de sensibiliser le lecteur aux enjeux et de permettre d'axer les considérations sur chaque tunnel spécifique.

2. SOUS-ENSEMBLE "GÉNIE CIVIL

2.1. PARAMÈTRES

Le tableau 1 ci-dessous donne un exemple des principaux paramètres concernant les aspects relatifs au génie civil :

TABLEAU 1 : PRINCIPAUX PARAMÈTRES SELON LE GÉNIE CIVIL

•    La première colonne du tableau indique les principaux ensembles de paramètres,
•    La deuxième colonne du tableau indique les principaux sous-ensembles de paramètres relatifs à un ensemble principal,
•    La troisième colonne énumère un certain nombre de paramètres élémentaires relatifs à un sous-ensemble. Cette liste n'est pas exhaustive,
•    La quatrième colonne du tableau indique par ensemble, ou sous-ensemble, les principaux résultats liés au sous-ensemble.

2.2. INTERACTIONS ENTRE LES PARAMÈTRES

Les interactions entre les paramètres sont nombreuses et souvent reliées par des liens circulaires tenant compte des chevauchements entre les différents paramètres.

L'exemple ci-dessous (tableau 2) concerne les interactions entre la ventilation, la section transversale et la sécurité :

•    La première colonne concerne la ventilation. Les paramètres énumérés dans cette colonne sont les paramètres élémentaires résultant du tableau 1 ci-dessus pour le sous-ensemble "ventilation",
•    La deuxième colonne concerne la section transversale. Les paramètres résultent du tableau 1,
•    La troisième colonne concerne la sécurité.

TABLEAU 2 : INTERACTIONS ENTRE LES PARAMÈTRES

Le tableau révèle un certain nombre de paramètres communs à plusieurs colonnes (voir connecteurs de ligne), qui créent des interactions circulaires entre les différents sous-ensembles de paramètres.
Ces interactions sont liées par des fonctions complexes, qui rendent presque 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 foré court ou un tunnel foré de longueur moyenne avec circulation à sens unique, le système de ventilation le plus probable est la "ventilation longitudinale". Les ventilateurs à jet fixés en voute  ont en effet généralement un impact très faible sur la dimension de la section transversale. Celle-ci pourrait donc être dimensionnée dans un premier temps avant de concevoir la ventilation, mais en tenant compte des autres paramètres déterminants. L'impact de la ventilation sur la section transversale sera ensuite vérifié par la suite,
•    A l'inverse, si le tunnel est très long ou si la section transversale est rectangulaire (tranchée couverte), le système de ventilation et ses composants (section, nombre et nature des éventuels gaine de ventilation  - dimension des ventilateurs à jet si nécessaire - etc. ) ont un impact essentiel sur la dimension de la section transversale. Le système de ventilation devra être prédimensionné au début de l'analyse en faisant des hypothèses préliminaires sur la dimension de la section transversale. La géométrie de la section transversale sera ensuite vérifiée.

Le processus de résolution est alors itératif et basé sur une première série d'hypothèses, comme le montrent les exemples précédents. Ce processus requiert une grande expérience technique et pluridisciplinaire des ingénieurs, permettant de prendre en compte les paramètres pertinents pour le projet, de mieux cibler les itérations successives, et de garantir la meilleure optimisation du projet, en tenant compte du niveau de service et de sécurité requis.

3. SOUS-ENSEMBLE "VENTILATION"

Le tableau 3 ci-dessous donne un exemple des principaux paramètres concernant les aspects relatifs à la ventilation. Ce tableau n'est pas exhaustif.

Quant au "génie civil", les interactions entre les paramètres sont nombreuses. Elles sont également soumises à des relations circulaires.

Le processus pour résoudre les problèmes est similaire à celui décrit ci-dessus pour le "génie civil".

TABLEAU 3 : PRINCIPAUX PARAMÈTRES INFLUENÇANT LA VENTILATION

4. SOUS-ENSEMBLE "EQUIPEMENT D'EXPLOITATION"

Ils ne constituent pas des paramètres fondamentaux pour la définition de la section fonctionnelle, à l'exception : 

•    des réservations et manchons  pour le passage des câbles, des tuyaux pour l'alimentation en eau du système de lutte contre l'incendie,
•    de la signalisation, de la signalisation d'information, de sécurité ou de police. La signalisation peut parfois (tranchée couverte) avoir un impact très important sur la géométrie (distance entre la chaussée et l’intrados avec un impact possible sur le profil en long et la longueur du tunnel). Cela peut éventuellement nécessiter une optimisation plus globale, qui peut concerner la position et/ou la conception des échangeurs à l'extérieur du tunnel, à proximité des têtes.

Les "équipements d'exploitation" constituent par contre des paramètres essentiels pour le dimensionnement des bâtiments techniques aux têtes, des sous-stations mécaniques et électriques souterraines, et de tous les espaces techniques souterrains, ou des diverses dispositions, cavités et niches. Ils nécessitent souvent des dispositions particulières concernant la température, la climatisation et la qualité de l'air.

Ce sont également des paramètres importants en termes de coût : construction, exploitation et maintenance.

Les "équipements d'exploitation" constituent des paramètres essentiels en matière de sécurité des tunnels. Ils doivent être conçus, construits et entretenus dans cet objectif :

•    disponibilité et fiabilité, en particulier de l'alimentation et de la distribution électrique, ainsi que de tous les réseaux de communication,
•    protection contre l'incendie de tous les équipements, en particulier des câbles d'alimentation électrique principale et des câbles des réseaux de transmission,
•    robustesse des équipements et de leurs composants afin de garantir leur durée de vie, leur fiabilité et l'optimisation des coûts : exploitation et maintenance,
•    facilitation des interventions de maintenance, faible impact sur les conditions de circulation, ainsi que sur la sécurité des équipes de maintenance et des usagers, ce qui nécessite des dispositions particulières concernant la conception et l'accessibilité de ces installations,
•    intégration des procédures d'exploitation et du plan d'intervention et de sécurité dans la conception du système de supervision (SCADA), ergonomie des interfaces homme/machine et assistance à l'exploitant en particulier lors d'un incident.

5. SOUS-ENSEMBLE "SÉCURITÉ

Figure 2 : Facteurs affectant la sécurité

5.1. ASPECTS RELATIFS A LA "SECURITE 

Les statistiques disponibles dans de nombreux pays montrent, de manière assez générale, que le taux d'incidents dans les tunnels est nettement inférieur à celui du réseau routier à l'air libre.

Hormis les catastrophes, la quasi-totalité des incidents dans les tunnels enregistrés et documentés sont principalement dus aux causes suivantes :

•    Mauvaise conception de la géométrie : aménagement (trop sinueux, faibles caractéristiques géométriques), profil en long (pente importante) et mauvaise coordination entre le profil en long et le tracé en plan,
•    Distances de visibilité trop courtes. 
•    Comportement des conducteurs, vitesse excessive et refus de priorité dans les zones de sortie ou de convergence, etc.
•    Niveau d'éclairage insuffisant et mauvaise identification des bordures, et donc de la largeur de la chaussée,
•    Pour les tunnels avec des échangeurs ou des raccordements en souterrain :
- une mauvaise conception de la géométrie des sorties et des zones de convergence, une visibilité et une lisibilité insuffisantes - des dispositions de sortie et de convergence mal dimensionnées,
- une mauvaise conception de la signalisation des sorties et des entrées : signalisation insuffisante, ou mal placée, ou illisible,
-    collisions à l'arrière d'un embouteillage, en particulier à proximité ou sur les rampes de sortie : en raison du manque de visibilité - mauvaise identification de la queue fluctuante - information insuffisante - mauvaise gestion du trafic par l'exploitant - coordination insuffisante entre l'exploitant du tunnel et l'exploitant du réseau de surface,
•    Pour les tunnels à circulation bidirectionnelle, risques supplémentaires de collisions frontales,
•    Pour les tunnels dans les zones montagneuses : causes supplémentaires dues à la formation de stalactites de glace de la voûte ou des parois, de stalagmites ou de formations de glace sur la chaussée,
 Les aspects liés à la sécurité doivent être décomposés :
•    Dispositions préventives : Ce sont celles qui permettent au jour le jour de réduire les causes des incidents dans les tunnels mentionnés ci-dessus. Ces causes et les dispositions qui en découlent sont rarement analysées dans les "analyses des risques et des dangers",
•    Dispositions curatives : Ce sont celles qui sont indispensables en cas de catastrophe ou d'incendie (voies de secours - ventilation d'urgence - organisation et accès des équipes de secours - etc.) Ces dispositions sont nécessaires et essentielles pour assurer la sécurité des usagers en cas d'incendie, mais elles ont un faible impact sur l'amélioration de la sécurité quotidienne à l'intérieur du tunnel.

Note : Des informations supplémentaires sur les incidents dans les tunnels sont disponibles en suivant les hyperliens : 
•    2016R19EN : Tunnels routiers : réseaux routiers souterrains complexes (§ 4.4.2 pour les incidents dans les tunnels et § 4.4.3 pour les incendies)
•    2017R35FR : Retour d’expérience en matière d’incidents significatifs dans les tunnels routiers (Chapitre 3 pour les incidents dans les tunnels - Chapitre 4 pour les incendies)

5.2. CONCEPT DE "SÉCURITÉ

Les conditions de sécurité dans un tunnel résultent de nombreux facteurs présentés dans le manuel de sécurité contenu dans ce manuel. Il est nécessaire de prendre en compte tous les aspects du système formé par l'infrastructure elle-même pour assurer la sécurité, ainsi que son exploitation, ses interventions, ses véhicules et ses usagers (Figure 2).

L'infrastructure est un paramètre essentiel concernant la sécurité à l'intérieur du tunnel (dispositions préventives et curatives), ainsi que le coût de construction. Cependant, on peut investir fortement dans l'infrastructure sans améliorer les conditions de sécurité si les dispositions essentielles ne sont pas prises en compte en parallèle :

•    l'organisation, les moyens humains et matériels, les procédures de fonctionnement et d'intervention,
•    la formation du personnel d'exploitation,
•    l'équipement des services d'urgence avec du matériel efficace et la formation de leur personnel,
•    la communication avec les utilisateurs.

5.3. COMMENT CES PARAMÈTRES AFFECTENT-ILS UN PROJET DE TUNNEL ?

Ces paramètres relatifs à la sécurité peuvent affecter de manière plus ou moins importante un projet de tunnel. Les tableaux ci-dessous en donnent quelques exemples.

Note : Les quatre tableaux ci-dessous se réfèrent aux quatre principaux domaines représentés dans la Fig. 2.
•    La colonne 1 indique les principales infrastructures ou actions concernées,
•    La colonne 2 indique le degré d'influence sur le projet de tunnel (génie civil - ventilation - équipements d'exploitation et de sécurité) :
o    Vert : aucun impact,
o    Jaune : impact moyen,
o    Rouge : impact important ou majeur.
•    La colonne 3 précise les principales raisons ou causes d'influence.
 

6. SYNTHESE

Un tunnel est un "système complexe", ce qui signifie notamment que

•    L'approche de la conception d'un tunnel du seul point de vue du tracé, de la géologie ou du génie civil, entraîne de graves défauts de conception, qui sont susceptibles de rendre le tunnel moins sûr (voire dangereux) et difficile à exploiter (peut-être impossible à exploiter dans des conditions raisonnables).
•    De même, aborder la conception d'un tunnel du seul point de vue des équipements d'exploitation sans intégrer en amont une analyse des risques et de la sécurité, de l'intervention et de l'exploitation, conduira également à des déficiences qui apparaîtront très rapidement dès que le tunnel sera ouvert à la circulation,
•    ne pas tenir compte, dès la phase de conception préliminaire, de tous les objectifs et contraintes liés à l'exploitation et à la maintenance, entraînera inévitablement une augmentation des coûts opérationnels et une réduction de la fiabilité globale.

Le traitement partiel des problèmes est malheureusement encore assez fréquent, faute d'une "culture de tunnel" suffisante des différents acteurs impliqués dans la conception.

Le contrôle de ce système complexe est difficile mais essentiel pour :

•    trouver la solution appropriée à chaque problème,
•    assurer aux usagers un niveau de sécurité essentiel, et leur offrir un service de qualité et de  confort satisfaisant.

Parallèlement, la maîtrise de ce système complexe contribue très souvent à l'optimisation technique et économique du projet, par une définition claire et précoce des fonctions à assurer et par l'utilisation d'un processus d'analyse de la valeur.

La prise en compte, dès le début du projet, des grandes questions relatives :

•    aux tracés en plan et aux profils en long, à la géologie, aux dispositions et les méthodes de construction du génie civil,
•    à la ventilation,
•    à la sécurité (par une analyse préliminaire des risques et du danger et un plan d'urgence préliminaire),
•    aux conditions d'exploitation et de maintenance,
constitue une approche efficace pour résoudre cette équation complexe.

La définition de la "fonction de tunnel", ainsi que l'"analyse préliminaire des risques et des dangers" sont souvent négligées ou traitées superficiellement. Elles constituent pourtant un "outil" essentiel et indispensable pour l'optimisation technique, économique et sécuritaire d'un tunnel. 

L'"analyse préliminaire des risques et des dangers" ne doit pas se limiter aux incendies dans les tunnels et aux dispositions constructives et opérationnelles visant à minimiser les risques. Elle doit également prendre en compte (bien que cela soit rarement entrepris) les conditions de sécurité au quotidien pour réduire la probabilité d'incidents et leur gravité. Cela implique une analyse des tracés en plan et profil en long, de la géométrie des rampes des liaisons souterraines, de la visibilité et de la probabilité de congestion du trafic. Cette analyse doit être effectuée lors de la conception du tracé, alors qu'il est encore possible d'améliorer le projet afin de réduire le risque d'incidents.

Étapes de la vie d’un tunnel

• 1.4.1 La conception
• 1.4.2 La construction
• 1.4.3 La mise en service
• 1.4.4 L'exploitation

D'une manière un peu arbitraire la « vie » d'un tunnel peut être décomposée en plusieurs étapes principales dont les enjeux essentiels sont les suivants :

1.4.1 La conception

C'est l'étape la plus importante de la vie d'un tunnel neuf. Elle est déterminante en termes de coût de construction, de coût d'exploitation, de sécurité, ainsi que de management des risques techniques et financiers.

Elle nécessite une intégration transversale de toutes les interfaces du « système complexe » constitué par le tunnel, dès l'amont de la conception de celui-ci (cf. paragraphes ci-dessus).

L'expérience témoigne que ceci est malheureusement rarement le cas, et que bien souvent la conception d'un tunnel résulte d'une succession de phases traitées de façon indépendante. D'une manière un peu caricaturale on peut noter que :

• la fonction n'est pas toujours bien définie,
• le tracé est conçu sans aucune intégration du tunnel, de ses contraintes, ni de l'ensemble des possibilités d'optimisation,
• le génie civil du tunnel se « débrouille » du tracé imposé, avec toutes les conséquences qui peuvent en résulter en matière de coûts de construction et de risques,
• les équipements, la sécurité et l'exploitation s'intègrent tant bien que mal et de façon pas toujours harmonieuse ni optimale avec les dispositions retenues lors des phases précédentes.

1.4.2 La construction

Pour ce qui concerne le génie civil, l'aspect le plus important est celui du management des risques techniques (notamment géologiques) et de l'ensemble des conséquences financières et de délais qui en résultent.

La réflexion relative au management des risques doit s'engager dès la conception. Cette réflexion doit être approfondie, et partagée avec le Maître d'Ouvrage. Les décisions en matière de risques doivent être mûries et documentées.

La prise de risques ne constitue pas nécessairement une erreur, et n'est pas forcément à proscrire, car elle peut correspondre à des objectifs notamment de délais impératifs, qui seraient incompatibles avec la mise en œuvre de toutes les investigations nécessaires pour lever les incertitudes.

Toutefois une décision de prise de risques doit résulter d'une réflexion approfondie :

• sur les conséquences susceptibles d'en résulter qui doivent être identifiées, analysées et consignées : délais - coûts - impacts humains et environnementaux - sécurité,
• sur les enjeux de cette prise de risques, ses probabilités de réussite et son réel intérêt.

Une prise de risque ne doit pas être le résultat d'une négligence ou d'une incompétence des différents acteurs.

Pour ce qui concerne les équipements d'exploitation, l'attention est attirée sur :

• tous les aspects de nature à optimiser la durée de vie des installations, leur fiabilité et leur facilité d'entretien et de maintenance,
• la nécessité d'une démarche rigoureuse et d'un contrôle continu de la fonctionnalité, des performances et de la qualité des installations au fur et à mesure de la fabrication des composants, ainsi que de leur mise en œuvre sur le site, puis lors des essais partiels et d'intégration,
• la prime à la qualité lors du choix des équipements, même si le coût de construction en est un peu plus élevé. L'économie éventuelle sera très vite compensée par les coûts de maintenance, les difficultés d'intervention sous circulation, et les nuisances supportées par les usagers.

1.4.3 La mise en service

Cette étape de la « vie » d'un tunnel est bien souvent sous estimée, et prise en compte de façon trop tardive. Elle nécessite du temps, qui ne lui est trop souvent pas accordé, ce qui conduit à mettre en service l'ouvrage dans des conditions peu satisfaisantes, si ce n'est très exposées en termes de sécurité.

Cette étape comporte :

• l'organisation de l'exploitation et de la maintenance,
• la rédaction de toutes les procédures d'exploitation, d'intervention, de sécurité dans les conditions normales d'exploitation de l'ouvrage, ainsi que dans les conditions dégradées (Conditions Minimales d'Exploitation),
• le recrutement et la formation du personnel,
• la « marche à blanc » des installations, qui ne peut avoir lieu que lorsque les installations ont été réalisées en totalité, qu'elles ont été réceptionnées (le cas échéant avec des réserves ne nécessitant que des interventions correctives mineures),
• les entraînements et manœuvres interservices avant la mise en service du tunnel.

1.4.4 L'exploitation

La mission principale est d'assurer :

• la gestion de toutes les installations, leur maintenance, leur remise en état,
• la sécurité et le confort des usagers.

Une prise de recul par rapport aux routines quotidiennes est indispensable en vue :

• d'établir un retour d'expérience, d'adapter les procédures, les conditions d'intervention et les manœuvres de sécurité,
• d'optimiser les coûts d'exploitation sans dégrader le niveau de service et de sécurité,
• d'identifier, analyser, planifier et réaliser les grosses opérations de maintenance et remise à niveau de l'ouvrage.

Conception tunnel neuf

• •    1 Alignement horizontal et vertical
• •    2 Le profil transversal fonctionnel
• •    3 Sécurité et fonctionnement
• •    4 Le matériel d'exploitation

Cette page concerne la conception de nouveaux tunnels. La conception concernant la rénovation et l'amélioration de la sécurité des tunnels en exploitation est présentée à la page Rénovation - Upgrading of existing tunnels.

1. TRACE EN PLAN ET PROFIL EN LONG

La conception du tracé en plan et du profil en long d'un tronçon de route ou d'autoroute, qui comprend un tunnel, constitue une première étape majeure et fondamentale dans la création d'un nouveau tunnel, à laquelle l'attention nécessaire est rarement accordée.

La prise en compte du "système complexe" que constitue un tunnel doit commencer dès le début de la conception du tracé, ce qui est rarement le cas. C'est cependant à ce stade que les optimisations techniques et financières sont les plus importantes.

Il est essentiel de mobiliser dès le début de la conception une équipe multidisciplinaire composée de spécialistes et de concepteurs très expérimentés, qui seront en mesure d'identifier tous les problèmes potentiels du projet, malgré des informations préliminaires inévitablement incomplètes. Cette équipe sera en mesure de prendre des décisions judicieuses et fiables pour les choix majeurs, puis de consolider progressivement ces éléments en tenant compte de la disponibilité d'informations complémentaires.

L'objectif de cette section n'est pas de définir les règles relatives à la conception des tunnels (les manuels de conception de plusieurs pays sont mentionnés à la page Réglementations - Recommandations) mais essentiellement de sensibiliser les maîtres d'ouvrage et les concepteurs à la nécessité d'une approche globale et multiculturelle, dès les premières étapes de la conception, et à l'importance d'une expérience essentielle qui est primordiale pour la réussite du projet.

La définition du tracé en plan, du profil en long et de la géométrie des échangeurs ou des liaisons souterraines (en particulier les zones de sortie ou de convergence) est une étape importante de la sécurité routière. De nombreux accidents sont dus à des défauts de conception, comme indiqué au point 5.1 de la page "Tunnel : un système complexe". 

L'"analyse préliminaire des risques et dangers" couvre tous les aspects relatifs à la géométrie, à la lisibilité, à la visibilité et à la présence d'éventuelles liaisons souterraines : voir également la section 6 de la page "Tunnel : un système complexe".

1.1. PAYS NE DISPOSANT PAS D’UNE "CULTURE TUNNEL 

Dans ces pays, les maitres d’ouvrages et les concepteurs ont une certaine crainte vis-à-vis des tunnels. Ils préfèrent très souvent des "aménagements routiers acrobatiques" cheminant le long de crêtes, avec des pentes raides, d'énormes murs de soutènement ou de très longs viaducs, et parfois d'énormes travaux de consolidation (très coûteux et pas toujours efficaces sur une longue période), afin de traverser des zones qui présentent des glissements de terrain actifs.

De nombreux exemples de projets incluant des tunnels et des variations de conception conçus avec une approche globale "système" démontrent que, par rapport aux approches refusant systématiquement la construction de tunnels :

•    les économies réalisées sur les coûts de construction peuvent atteindre entre 10 et 25 % dans les régions montagneuses,
•    des économies importantes de coûts d'exploitation et de maintenance peuvent être réalisées. La fiabilité du tracé peut être améliorée, notamment dans les zones d'instabilité ou de glissements de terrain actifs, ou soumises à des conditions climatiques sévères,
•    l'impact environnemental est considérablement réduit,
•    le niveau de service pour les usagers est amélioré et les conditions d'exploitation, notamment en hiver (dans les pays soumis à des chutes de neige) sont fiabilisées par la réduction des pentes requises par les cheminements sur les crêtes.

L'assistance d'un évaluateur externe permet d'atténuer l'insuffisance ou le manque de "culture du tunnel", et d'améliorer le projet de manière significative.

1.2. PAYS AYANT UNE TRADITION DE CONSTRUCTION ET D'EXPLOITATION DE TUNNELS

Le concept de "système complexe" est rarement intégré en amont, au détriment de l'optimisation globale du projet. Trop souvent, la "géométrie" de la nouvelle infrastructure est fixée par des spécialistes de l'aménagement sans intégration de l'ensemble des contraintes et des éléments du tunnel.

Il est cependant essentiel de prendre en compte dès cette étape tous les paramètres et interfaces décrits dans la page "Tunnel : un système complexe" ci-dessus, et notamment

•    la géologie et l'hydrogéologie générales de la zone (avec le niveau de connaissances disponible) ainsi qu'une première appréciation des difficultés géologiques et des risques potentiels concernant les méthodes, les coûts et la durée de la construction,
•    les conditions géo-mécaniques, hydrogéologiques et hydrographiques potentielles aux têtes des tunnels et le long des accès,
•    les risques et les dangers liés aux conditions hivernales pour les pays soumis à des chutes de neige importantes, en particulier :
o    les risques d'avalanche ou de formation de congères et les possibilités de protéger les routes d'accès et les têtes contre ces risques,
o    les conditions d'entretien des routes d'accès en cas de chutes de neige importantes pour garantir la fiabilité de l'itinéraire. Cette disposition peut conditionner l'altitude des têtes du tunnel, les pentes maximales des routes d'accès et, si nécessaire, la place disponible pour aménager les surfaces de chaînage et de déchaînage à proximité des têtes,
•    les conditions environnementales aux têtes des tunnels et sur les routes d'accès. L'impact peut être important dans les environnements urbains (notamment en raison du bruit et du rejet d'air pollué), ainsi que pour les tunnels interurbains,
•    la pente des rampes d'approche :
o    le tunnel le moins cher n'est pas toujours le plus court,
o    la suppression d'une voie spéciale pour les véhicules lents est difficile à gérer à proximité d'une tête de tunnel, et le maintien d'une telle voie dans un tunnel est généralement très coûteux,
o    la pente des routes d'accès peut avoir un impact très fort sur la capacité de l'itinéraire en termes de volume de trafic et de fiabilité en hiver.
•    la possibilité d'incorporer les galeries de reconnaissances comme accès latéraux (ventilation - évacuation et sécurité - réduction du calendrier des travaux de construction), ou comme puits verticaux ou inclinés (ventilation - évacuation et sécurité),
o    ces points d'accès particuliers, leur impact sur la surface (en particulier en milieu urbain : espace disponible - sensibilité au rejet d'air pollué - etc.), leur accessibilité tout au long de l'année (par exemple, exposition aux avalanches) peuvent constituer des contraintes importantes pour la conception du tracé en plan et du profil en long. Inversement, ils contribuent très souvent à l'optimisation des coûts de construction et d'exploitation,
o    ces points d'accès particuliers peuvent avoir un impact majeur sur les coûts de construction et d'exploitation, ainsi que sur la taille de la section transversale (optimisation potentielle de la ventilation et des installations d'évacuation),
•    les méthodes de construction qui peuvent avoir un impact majeur sur la conception de l'alignement horizontal et vertical, par exemple :
o    La traversée sous une rivière avec un tunnel foré constitue un projet essentiellement différent de celui d'une solution par éléments préfabriquées immergées,
o    s'interface avec un viaduc au niveau du e du tunnel,
o    le délai de construction imposé peut avoir un impact direct sur le tracé, notamment pour permettre la circulation à partir des deux têtes du tunnel ainsi que des accès intermédiaires, en utilisant des galeries de reconnaissances,
•    les caractéristiques géométriques du tracé et le profil longitudinal du tunnel pour lequel il est également nécessaire d'intégrer les éléments suivants :
o    la limitation des pentes, qui ont un impact majeur sur le dimensionnement du système de ventilation et sur la réduction de la capacité du volume de trafic du tunnel,
o    les conditions hydrauliques du drainage souterrain pendant la construction et la période d'exploitation, qui affectent le profil en long,
o    un dégagement latéral réduit (la construction de largeurs supplémentaires est très coûteuse) qui nécessite une analyse particulière des conditions de visibilité et une vigilance particulière dans le choix des rayons des courbes pour le tracé en plan,
o    le meilleur choix des rayons afin d'éviter l'alternance des pentes de chute transversale, et leur impact majeur sur les systèmes de collecte et d'évacuation des eaux des chaussées, les interfaces avec les manchons pour l'installation des câbles, les conduites d'eau pour la lutte contre l'incendie, ce qui peut même entraîner une augmentation de la dimension de la section transversale,
•    toutes les contraintes habituelles liées à l'occupation de l'espace souterrain, en particulier en milieu urbain : métros - parkings - fondations - structures sensibles aux implantations,
•    les coûts de construction et d'exploitation :
o    le tunnel le moins cher n'est pas nécessairement le plus court,
o    un investissement supplémentaire dans le génie civil peut être globalement plus économique sur la durée de vie du tunnel s'il permet de réduire les coûts de construction, d'exploitation, d'entretien et de réparations lourdes (notamment la ventilation), ou s'il permet de reporter de plusieurs années la date de saturation de la capacité de trafic (impact de la pente dans le tunnel et sur les accès),
•    la coordination entre le tracé en plan et le profil en long doit être soigneusement étudiée dans un tunnel afin de favoriser le niveau de confort et de sécurité des usagers. L'effet visuel des changements de pente dans le profil en long, en particulier dans les points hauts, est mis en évidence par le champ visuel limité du tunnel et par l'éclairage,
•    les conditions d'exploitation avec un trafic uni- ou bidirectionnel doivent être prises en compte dans la conception de l'aménagement, en particulier :
o    les conditions habituelles de visibilité et de lisibilité,
o    la possibilité d'aménager des accès latéraux (galeries de reconnaissances) ou verticaux (puits), notamment pour : l'optimisation de la ventilation et de la section, l'amélioration de la sécurité (évacuation des usagers et accès des équipes de secours en évitant la construction d'une coûteuse galerie parallèle),
•    la disposition à proximité des têtes :
o    les têtes des tunnels constituent des points de transition singuliers, et il est nécessaire de prendre en compte le comportement humain et les conditions physiologiques. Il est essentiel de préserver une continuité géométrique pour permettre à l'usager de conserver sa trajectoire instinctive,
o    un tunnel rectiligne n'est pas souhaitable, en particulier à l'approche de la tête de sortie. Il peut être nécessaire de renforcer l'éclairage de sortie sur une longue distance,
•    des jonctions souterraines aux têtes des tunnels ou très près de ceux-ci :
o    Les échanges à l'intérieur d'un tunnel ou à l'extérieur à proximité immédiate des têtes sont à éviter,
o    si elles sont inévitables, une analyse très détaillée doit être faite pour déterminer toutes les contraintes et conséquences particulières à prendre en compte (tracé - section transversale - voies de sortie ou de convergence - risque de reflux - évacuation - ventilation - éclairage - etc. ) pour assurer la sécurité en toutes circonstances.

2. LE PROFIL TRANSVERSAL FONCTIONNEL

2.1. LES QUESTIONS

Le profil transversal fonctionnel constitue la deuxième grande étape de la conception d'un tunnel après le choix du tracé. 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 multidisciplinaire expérimentée. Tous les paramètres et interfaces décrits à la page "Un tunnel est un système complexe" doivent être pris en compte.
Cette deuxième étape (profil transversal fonctionnel) n'est pas indépendante de la première étape (conception du tracé), et elle doit évidemment tenir compte des dispositions qui en découlent. Les deux étapes sont interdépendantes et très étroitement liées entre elles.

En outre, comme mentionné au point 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 de réponse unique mais un nombre très limité de bonnes réponses et un grand nombre de mauvaises réponses. L'expérience de l'équipe multidisciplinaire est essentielle pour qu'une bonne solution soit rapidement identifiée.

Les exemples cités dans la section 1 ci-dessus montrent que les dispositions du "profil transversal fonctionnel" peuvent avoir un impact majeur sur la conception du tracé en plan et du profil en long
L'expérience montre que l'analyse du "profil transversal fonctionnel" est très souvent incomplète et limitée aux seules dispositions du génie civil, ce qui conduit inévitablement à
•    dans le meilleur des cas, un projet qui n'est pas optimisé du point de vue fonctionnel, opérationnel et financier. L'expérience montre que les optimisations potentielles peuvent atteindre, dans des cas exceptionnels, 20 % des coûts de construction,
•    dans le cas le plus fréquent, une prise en compte insuffisante des fonctions, de leurs contraintes et de leurs impacts sur le projet. Ces fonctions devront être intégrées dans les étapes suivantes du projet en mettant en œuvre des solutions tardives et souvent très coûteuses,
•    dans le pire des cas, des erreurs de conception fondamentales ayant un impact irrémédiable et permanent sur le tunnel, sur ses conditions d'exploitation et de sécurité, ainsi que sur ses coûts de construction et d'exploitation.

2.2. PRINCIPALES DISPOSITIONS

Les principaux paramètres du "profil transversal fonctionnel" sont les suivants :
•    Volume de trafic - nature du trafic - organisation de l'exploitation - tunnel urbain ou non urbain, afin de le déterminer :
o    le nombre et la largeur des voies, en fonction du trafic et du type de véhicules admis dans le tunnel,
o    la hauteur libre (selon le type de véhicule),
o    la bande d'arrêt d'urgence, la bande d'arrêt d'urgence ou le garage, en fonction du volume du trafic, du mode de fonctionnement, c'est-à-dire uni- ou bidirectionnel, du taux statistique de pannes,
o    un éventuel séparateur central et sa largeur en cas de fonctionnement bidirectionnel,
•    La ventilation a un impact majeur qui dépend de :
o    le système de ventilation choisi, lui-même dépendant de nombreux autres paramètres (voir chapitre " Concepts deventilation "),
o    l'espace requis pour les gaines de ventilation, pour l'installation des ventilateurs axiaux, des accélérateurs, des gaines secondaires et de tous les autres équipements de ventilation,
•    Les zones de dédoublement ou de fusion des branches des liaisons souterraines, notamment, 
o    la longueur des voies parallèles, une bonne lisibilité et visibilité sur les points de déconnexion et de convergence,
o    la position et la lisibilité de la présignalisation et de la signalisation,
•    L'évacuation des usagers et l'accès des équipes de secours et d'urgence qui dépendent des nombreux facteurs détaillés dans les chapitres Construction et Geometry,
•    La longueur et la pente du tunnel. Ces paramètres interviennent de manière indirecte à travers la ventilation, les notions d'accès et de sécurité,
•    Les réseaux et les équipements d'exploitation sont aussi très souvent des facteurs déterminants dans le dimensionnement de la section fonctionnelle, compte tenu de leur nombre, de l'espace qu'ils nécessitent, des protections essentielles qui leur sont associées pour garantir la sécurité d'exploitation du tunnel, et de l'espace relativement limité pour les localiser sous les trottoirs et les accotements. Sont notamment concernés les réseaux suivants, qui ont un impact dimensionnel :
o    réseau(x) d'égouts séparés ou combinés - collecte des liquides pollués des routes et des collecteurs associés. L'absence de variation de la pente transversale, associée aux conditions du tracé (voir section 1.2 ci-dessus) permet une simplification et une optimisation du profil transversal fonctionnel,
o    réseau d'alimentation en eau pour le système de lutte contre l'incendie, les bouches d'incendie et, si nécessaire, leur protection contre le gel,
o    tous les réseaux de câbles de haute et moyenne tension, ainsi que les courants de basse tension. Il est essentiel de prendre en compte, d'une part, les câbles nécessaires au moment de l'ouverture du tunnel et leur protection contre l'incendie, ainsi que les dispositions permettant leur remplacement partiel ou total, et, d'autre part, les dispositions relatives à l'ajout inévitable d'autres réseaux tout au long de la vie du tunnel,
o    les besoins particuliers à court ou moyen terme des réseaux extérieurs susceptibles de passer par le tunnel,
o    toutes les interactions entre les réseaux et les besoins (techniques ou juridiques) d'espacement entre certains réseaux,
o    l'ensemble de la signalisation d'exploitation : signalétique et signalisation - signaux de voie - panneaux à messages variables - indications de régulation - indications de sécurité - indications directionnelles,
•    Interfaces fonctionnelles localisées : sous-stations souterraines - installation de ventilation souterraine - niches de sécurité - abris - etc. Il est essentiel de prendre en compte les dispositions relatives à l'exploitation et à la maintenance, et en particulier la construction d'aires de stationnement pour les interventions de maintenance et la sécurité des équipes d'exploitation,
•    Les méthodes de construction et les conditions géologiques ont un impact sur la section transversale fonctionnelle (indépendamment du dimensionnement des ouvrages de génie civil), par exemple :
o    la traversée sous-marine mentionnée au point 1.2 ci-dessus. La solution avec des caissons préfabriqués immergés permet une conception et une disposition très différentes du système de ventilation, des galeries d'évacuation ou de l'accès des équipes de secours, par rapport à la disposition pour le même équipement dans le cas d'un tunnel foré,
o    un tunnel foré au tunnelier (TBM) met à disposition des surfaces sous la chaussée qui peuvent être utilisées par exemple pour la ventilation, pour l'évacuation des usagers ou pour l'accès des services de secours. Cela peut permettre des optimisations (suppression des galeries de raccordement ou d'une galerie parallèle) qui peuvent être financièrement très importantes si le tunnel est situé sous le niveau de la nappe phréatique dans des matériaux perméables.

3. SÉCURITÉ ET FONCTIONNEMENT

3.1. ANALYSE DES RISQUES ET DES DANGERS - PLAN D'INTERVENTION D'URGENCE

La sécurité doit être une préoccupation permanente du pouvoir adjudicateur, des concepteurs et ensuite des exploitants. 

La sécurité doit être prise en compte dès le début des études préliminaires, à l'aide d'outils adaptés à chacune des étapes de la conception, des appels d'offres, de la préparation de l'exploitataion, puis pendant la période d'exploitation.

De façon très schématique :

•    Pendant les études préliminaires et la définition de la géométrie, l'analyse se concentrera :
o    De manière très détaillée, sur les risques actuels liés au trafic routier (voir section 5.1 de la page "Tunnel : un système complexe") : tracé en plan, profil en long, visibilité, congestion du trafic, etc.
o    Dans une approche préliminaire, sur les dangers en cas d'incendie,
•    L'analyse se concentrera sur l'élaboration de la conception détaillée :
o    sur la validation des dispositions visant à minimiser les risques d'incidents quotidiens,
o    sur l'évaluation détaillée des risques en cas d'incendie, ainsi que sur les conditions d'évacuation et de sécurité.
o    sur une première ébauche du plan d'intervention d'urgence,
•    Lors de la préparation de l'exploitation, l'analyse portera sur
o    la validation des dispositions définies au cours des étapes précédentes,
o    l'élaboration de toutes les procédures de fonctionnement et d'intervention,
o    sur l'éducation et la formation pour tous les acteurs,
•    Pendant la période d'exploitation, les analyses seront basées sur le retour d'expérience et se concentreront sur les adaptations des procédures existantes ou sur la mise en œuvre de procédures supplémentaires, ainsi que sur la formation continue et la communication avec les usagers.

Les dispositions relatives à l'"analyse des risques et des dangers", ainsi que le "plan d'intervention d'urgence" sont précisées dans le livre "Sécurité".

3.2. DISPOSITIONS GÉNÉRALES

Les recommandations de l'AIPCR sont nombreuses dans les domaines de la sécurité et de l'exploitation pour la finalisation des études de sécurité, l'organisation de l'exploitation et des situations d'urgence, ainsi que les dispositions d'exploitation. Le lecteur est invité à se référer au thème : voir le livre Sécurité .

Le présent chapitre traite principalement des interfaces de sécurité et d'exploitation au sein du "système complexe". Les tableaux de la section 5.2 de la page "Tunnel : un système complexe" indiquent le degré d'interdépendance de chaque paramètre par rapport aux différents sous-ensembles du projet.

Un certain nombre de paramètres ont un impact majeur dès les phases amont du projet. Ils doivent être analysés dès les premières phases de la conception et concernent notamment

•    le volume du trafic - la nature du trafic (urbain, non urbain) - la nature des véhicules (éventuellement un tunnel dédié à une catégorie de véhicules) - le transport ou non de marchandises dangereuses,
•    l'évacuation des usagers et l'accès des équipes d'urgence,
•    la ventilation,
•    la communication avec les usagers - le système de supervision.

Ces paramètres majeurs pour la conception du tunnel sont également les facteurs essentiels de "l'analyse des dangers", et des ébauches du "schéma opérationnel des équipes d’intervention". C'est pourquoi nous considérons qu'il est essentiel qu'une "analyse préliminaire des risques", associée à une analyse préliminaire d'un "plan d'intervention et de sécurité", soit réalisée dans les premières étapes de l'avant-projet. Cette analyse permet de mieux décrire les caractéristiques spécifiques du tunnel et les spécifications fonctionnelles et de sécurité auxquelles il doit répondre. Elle contribue également à une analyse d'ingénierie de la valeur, à une meilleure conception et à l'amélioration et l'optimisation technique et financière.

Ces paramètres et leurs impacts sont détaillés dans les paragraphes suivants

3.3. PARAMÈTRES RELATIFS AU TRAFIC ET À SA NATURE

Ces paramètres ont un impact principalement sur le profil fonctionnel en coupe transversale (voir section 2), et à travers lui un impact partiel sur le tracé :

•    le volume de la circulation affecte le nombre de voies, la ventilation et l'évacuation. Il affecte également l'impact des véhicules de dépannage et leur gestion à l'arrêt : obligation ou non d'une voie d'arrêt latérale, de garages et organisation de dispositions particulières pour le service de réparation,
•    la nature du trafic, le type de véhicules et leur répartition influent sur le concept d'évacuation (passages inter-tubes, galeries d'évacuation, leur dimensionnement, leur espacement) en fonction du volume de personnes à évacuer,
•    les tunnels dédiés à des catégories particulières de véhicules en lien avec la largeur des voies, la hauteur libre et la ventilation,
•    le passage ou non de marchandises dangereuses a un impact important sur le système de ventilation, la "section fonctionnelle", les mesures de collecte et d'assèchement des fluides, les itinéraires de déviation, l'environnement des têtes du tunnel ou des cheminées de ventilation, la protection des structures contre les conséquences d'un incendie majeur, ainsi que sur l'évacuation et l'organisation des services d'urgence et la mise à disposition des pompiers de moyens et de matériel spécifiques.

Un autre paramètre fondamental du trafic est souvent négligé ou délibérément éludé lors de la conception d'un tunnel. Il s'agit de la congestion du trafic et de la formation d'"embouteillages" dans les tunnels. Ce paramètre est particulièrement sensible pour les tunnels comprenant des rampes de raccordement souterraines.

Supposer, comme c'est souvent le cas, que des dispositions de gestion du trafic seront prises pour éviter la formation d'un "embouteillage" est fallacieux et irréaliste comme le montre la réalité quotidienne dans les zones urbaines. Ces dispositions conduisent en outre à réduire considérablement le volume du trafic entrant dans le tunnel, à diminuer la capacité de l'itinéraire et à dégrader la fonction et la rentabilité économique de l'infrastructure. 

Dans la plupart des cas, cette grave négligence entraîne inévitablement une exposition accrue des usagers à un niveau inacceptable de risques et de dangers.

La présence d'un "embouteillage" a un impact essentiel sur :
•    la conception et le dimensionnement des systèmes de ventilation. Une ventilation longitudinale "pure" sans conduit de désenfumage, ou sans extraction massive, n'est pas acceptable car elle met en danger les usagers en cas d'incendie lors d'un blocage de la circulation,
•    La conception et le dimensionnement des issues de secours. Le nombre d'usagers à évacuer est plus concentré et beaucoup plus important en cas de blocage de la circulation,
•    Le risque de collision est élevé à la fin d'un embouteillage, et la signalisation de la position d'une queue de bouchon mobile est difficile à mettre en œuvre à l'intérieur d'un tunnel.

3.4. ÉVACUATION DES USAGERS - ACCÈS DES ÉQUIPES DE SECOURS

Il s'agit d'un paramètre fondamental concernant les dispositions fonctionnelles et la conception générale. Ce paramètre affecte aussi souvent les dispositions de conception (sorties directes vers l'extérieur) et de construction : passages inter-tubes, galeries techniques - galerie parallèle - abris ou refuges temporaires reliés à une galerie.
Son analyse nécessite une approche intégrée avec la conception de la ventilation (en particulier la ventilation en cas d'incendie), le volume du trafic, l'analyse des risques, la rédaction du plan d'intervention d'urgence (en particulier l'étude des scénarios ventilation/intervention) et les méthodes de construction.
Il est nécessaire, d'un point de vue fonctionnel, de définir les itinéraires, leurs caractéristiques géométriques et leur espacement afin d'assurer la circulation des personnes valides et handicapées.
Il est essentiel d'assurer l'homogénéité, la lisibilité et le caractère accueillant et apaisant de ces installations. Elles sont utilisées par les personnes en situation de stress (accident - incendie), au stade de l'autosauvetage (avant l'arrivée des services d'urgence). Leur utilisation doit offrir un caractère naturel, simple, efficace et apaisant afin d'éviter la transformation de l'état de stress en un état de panique.

3.5. VENTILATION

Les installations de ventilation conçues comme un pur système de "ventilation longitudinale" ont peu d'impact sur la "section transversale fonctionnelle" ou sur le tracé.

Ce n'est pas le cas pour les installations de "ventilation longitudinale" équipées d'une gaine d'extraction des fumées, ni pour les systèmes de "ventilation transversale", les systèmes "semi-transversaux" ou "semi-longitudinaux", les systèmes "mixtes", ni pour les systèmes de ventilation comprenant des puits ou des galeries intermédiaires permettant d'aspirer ou de rejeter l'air à l'extérieur ailleurs qu'aux entrées du tunnel. Toutes ces installations ont un impact très important sur la "section transversale fonctionnelle", le "tracé" et toutes les structures souterraines supplémentaires.

Les installations de ventilation de l'espace de circulation sont essentiellement conçues pour :

•    assurer des conditions saines à l'intérieur du tunnel par la dilution de la pollution atmosphérique afin de maintenir les concentrations à un niveau inférieur à celui requis par les recommandations des réglementations nationales,
•    assurer la sécurité des usagers en cas d'incendie à l'intérieur du tunnel, jusqu'à leur évacuation hors de l'espace de circulation, en assurant un désenfumage efficace,
Les installations de ventilation peuvent également assurer des fonctions supplémentaires :
•    la limitation de la pollution de l'air aux entrées du tunnel, par une meilleure dispersion de l'air pollué, ou par la purification de l'air avant son rejet à l'extérieur du tunnel,
•    des installations souterraines pour nettoyer l'air pollué afin de le réutiliser dans le tunnel. Ces installations existent dans des tunnels urbains ou dans de très longs tunnels non urbains. Il s'agit de technologies complexes et coûteuses, qui nécessitent beaucoup d'espace et un entretien considérable,
•    en cas d'incendie, contribuer à limiter la température à l'intérieur du tunnel afin de réduire la détérioration de la structure par les effets thermiques.
Les installations de ventilation ne concernent pas seulement l'espace de circulation. Elles concernent également :
•    les galeries de liaison entre les tubes,
•    les galeries d'évacuation ou les abris utilisés par les usagers en cas d'incendie,
•    les locaux techniques ou les installations situés à l'intérieur du tunnel ou à l'extérieur près des têtes du tunnel qui peuvent nécessiter un renouvellement de l'air, ou la gestion et le contrôle du niveau de température (chauffage ou climatisation de l'air en fonction des conditions géographiques).
Les installations de ventilation doivent être conçues de manière à pouvoir :
•    s'adapter de manière dynamique et rapide aux nombreuses conditions et capacités dans lesquelles elles sont exploitées afin de faire face :
o    aux contraintes climatiques, en particulier les écarts de pression importants et fluctuants entre les têtes pour les longs tunnels dans les zones montagneuses,
o    aux taux de fonctionnement variables pour la gestion des fumées en cas d'incendie, en fonction notamment de l'évolution du feu, puis de sa régression, ainsi que pendant toute la durée de l'incendie afin de s'adapter à l'évolution des stratégies de lutte contre l'incendie à chaque étape de l'évacuation, de la lutte contre l'incendie, de la préservation des structures, etc.
•    présenter une capacité de développement suffisante pour pouvoir s'adapter tout au long de la vie du tunnel à l'évolution du trafic (volume - nature), à la baisse des niveaux de pollution admissibles et aux différentes conditions d'exploitation.

3.6. COMMUNICATION AVEC LES USAGERS - SUPERVISION

La communication avec les usagers a un impact important sur le "profil transversal fonctionnel" par le biais de la signalisation.
Les autres impacts majeurs ne concernent pas l'ensemble du "système complexe". Ils concernent le sous-système relatif aux équipements d'exploitation, en particulier la télésurveillance, la détection, les communications, la gestion du trafic, le contrôle et la surveillance, ainsi que l'organisation de l'évacuation.

3.7. EXIGENCES PARTICULIÈRES POUR LE FONCTIONNEMENT

L'exploitation d'un tunnel et l'intervention des équipes d'entretien peuvent nécessiter des dispositions particulières afin de permettre des interventions dans des conditions de sécurité totale et de réduire les restrictions de circulation.

Ces dispositions concernent par exemple la mise à disposition de garages devant les installations souterraines nécessitant des interventions de maintenance régulières, l'accessibilité aux matériaux pour leur remplacement et leur entretien (en particulier les matériaux lourds ou encombrants).

4. L'ÉQUIPEMENT D'EXPLOITATION

L'objectif de cette section n'est pas de décrire en détail les installations et les équipements d'exploitation, leur fonction ou leur conception. Ces éléments sont définis dans les recommandations de l'actuel "Manuel des tunnels routiers", ainsi que dans les manuels ou les recommandations nationales énumérés à la page "Règlements - Recommandations" ci-après.

L'objectif est d'attirer l'attention des maitres d’ouvrages et des concepteurs sur les questions particulières propres aux équipements et aux installations de l'exploitation des tunnels.

4.1. LES CHOIX STRATÉGIQUES

Les équipements d'exploitation doivent permettre au tunnel de remplir sa fonction, qui est d'assurer le passage du trafic, et de satisfaire à la double mission d'assurer aux usagers un bon niveau de confort et de sécurité lors de la traversée du tunnel.

Les installations d'exploitation doivent être adaptées à la fonction du tunnel, à sa situation géographique, à ses caractéristiques intrinsèques, à la nature du trafic, aux infrastructures en aval et en amont du tunnel, aux grandes questions relatives 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'installations d'exploitation ne contribue pas automatiquement à l'amélioration du niveau de service, du confort et de la sécurité d'un tunnel. Elle nécessite une maintenance et une intervention humaine accrues qui, si elles ne sont pas mises en œuvre, peuvent entraîner une réduction de la fiabilité du tunnel et de son niveau de sécurité. La juxtaposition ou l'abus de gadgets est également inutile. Les installations doivent être adaptées, complémentaires, parfois redondantes (pour les fonctions essentielles de la sécurité), et doivent former un ensemble cohérent.

Les installations de fonctionnement sont "vivantes" :

•    elles nécessitent un régime d'entretien et de maintenance rigoureux, récurrent et adapté à leur niveau de technologie. Cet entretien a un coût et nécessite des ressources humaines qualifiées, ainsi qu'un investissement financier récurrent tout au long de la vie du tunnel. L'absence (ou l'insuffisance) de maintenance entraîne des dysfonctionnements majeurs, la défaillance des installations et, par conséquent, la remise en cause de la fonction du tunnel et de la sécurité des usagers. L'entretien des installations dans les conditions de circulation est souvent difficile et très limité. Des dispositions doivent être envisagées dès la conception des installations. C'est pourquoi l'"architecture" des systèmes, leur conception et leur installation doivent être pensées de manière à limiter l'impact des dysfonctionnements sur la disponibilité et la sécurité du tunnel, ainsi que l'impact des interventions de maintenance ou de rénovation des installations,
•    Leur "durée de vie" est variable : environ dix à trente ans selon leur nature, leur rusticité, les conditions auxquelles ils sont exposés, ainsi que l'organisation et la qualité de l'entretien. Ils doivent donc être remplacés régulièrement, ce qui nécessite un financement adéquat (voir les rapports techniques 2012R14EN "Life cycle aspects of electrical road tunnel equipment" et 2016R01EN "Best practice for life cycle analysis for tunnel equipment"),
•    L'évolution technologique rend souvent indispensable le remplacement des installations qui comportent des technologies avancées, en raison de l'obsolescence technologique et de l'impossibilité d'obtenir des pièces de rechange,
•    Les installations doivent faire preuve d'adaptabilité pour tenir compte de l'évolution du tunnel et de son environnement.

Toutes ces considérations conduisent à des choix stratégiques dont les principaux sont

•    Définir les installations nécessaires en fonction des besoins réels du tunnel, sans céder à la tentation d'accumuler des gadgets. L'analyse des risques combinée à l'ingénierie de la valeur est un outil puissant permettant de rationaliser le choix des installations nécessaires. Cette approche permet également de mieux maîtriser la complexité des systèmes, qui est souvent source de retards, de dépassements de coûts et de dysfonctionnements importants si cette complexité n'a pas été gérée par une organisation rigoureuse et compétente,
•    Donner la priorité à la qualité et à la robustesse du matériel afin de réduire la nécessité et la fréquence de la maintenance et les difficultés d'intervention sous circulation. Il peut en résulter un coût d'investissement plus élevé mais qui est compensé très largement pendant la période d'exploitation,
•    Vérifier la qualité et les performances des installations à chaque étape de la conception, de la fabrication, des essais de réception en usine, de l'installation sur site puis des essais de réception sur site. L'expérience montre que de nombreuses installations sont déficientes et ne répondent pas aux objectifs, faute d'une organisation rigoureuse et de contrôles efficaces,
•    Choisir des technologies adaptées aux conditions climatiques et environnementales auxquelles les installations devront faire face, ainsi qu'aux conditions socioculturelles (carence du concept de maintenance dans certains pays), et aux conditions technologiques et techniques, ainsi qu'à l'organisation des services,
•    Prendre en compte, dès la conception des installations et le choix des équipements, les coûts de fonctionnement et notamment les coûts énergétiques. Ces coûts sont récurrents tout au long de la vie du tunnel. Les installations de ventilation et d'éclairage sont en général les plus grandes consommatrices d'énergie. Une attention particulière doit être portée à cet aspect dès les phases de conception préliminaire,
•    A prendre en compte dès les étapes préliminaires de la conception et de l'analyse du financement :
o    la nécessité de mettre en place, d'organiser, d'apprendre et de former des équipes dédiées à l'exploitation et à l'intervention d'une part, et au nettoyage et à l'entretien d'autre part,
o    les contraintes d'intervention dans les conditions de circulation pour la maintenance, les coûts d'exploitation, de maintenance et de rénovation qui en résultent,
•    Prendre en compte dans l'organisation générale et la programmation d'un nouveau projet de tunnel, le temps nécessaire au recrutement des équipes et à leur formation, aux essais, ainsi qu'à la "marche à blanc" de l'ensemble des installations et systèmes (période de 2 à 3 mois), aux entraînements et aux manœuvres sur site avec l'ensemble des intervenants extérieurs (notamment services de secours - pompiers) afin de les familiariser avec les particularités du tunnel.

4.2. RECOMMANDATIONS CLÉS CONCERNANT LES PRINCIPALES INSTALLATIONS

4.2.a. Énergie - sources d'énergie - distribution électrique

Pour que les équipements du tunnel fonctionnent, il faut des sources d'énergie. Les grands tunnels peuvent nécessiter une puissance de plusieurs MW (mégawatts), qui n'est pas toujours disponible sur place. Des dispositions particulières doivent être prises dès les premières étapes de la conception afin de renforcer et de fiabiliser les réseaux existants, ou souvent de créer de nouveaux réseaux. L'alimentation électrique est essentielle pour l'exploitation du tunnel. Elle est également essentielle pour sa construction.
L'approvisionnement en énergie électrique et sa distribution à l'intérieur du tunnel doivent assurer :

•    la capacité requise,
•    un approvisionnement fiable,
•    un système de distribution d'énergie fiable, redondant et protégé : redondance et interconnexion des réseaux de distribution - transformateurs en parallèle - câbles situés à l'intérieur de manchons et dans des chambres protégés contre l'incendie.

Chaque tunnel est spécifique et doit faire l'objet d'une analyse spécifique en fonction de sa position géographique, du contexte des réseaux électriques existants, des conditions d'approvisionnement en énergie (prioritaire ou non prioritaire), de la possibilité d'augmenter ou non la puissance et de la fiabilité des réseaux publics existants, des risques propres au tunnel, ainsi que des conditions d'intervention des services de secours.

Les installations doivent alors être conçues en conséquence, et les procédures d'exploitation doivent être mises en œuvre en fonction de la fiabilité du système et des choix qui ont été faits pendant la période de conception.

Les objectifs concernant la sécurité, en cas de coupure de l'alimentation électrique, sont les suivants
•    l'approvisionnement d'urgence immédiat sans interruption de tous les équipements de sécurité suivants pendant une période d'environ une demi-heure à une heure (en fonction du tunnel et des conditions d'évacuation) :
o    niveau d'éclairage minimal - signalisation - surveillance CCTV - télécommunications - transmission de données et SCADA - capteurs et détecteurs divers (pollution - incendie - incidents - etc.),
o    l'alimentation électrique des niches de sécurité, des voies d'évacuation et des abris,
o    cette fonction est généralement assurée par des systèmes sans interruption, ou des générateurs diesel capables de fournir immédiatement de l'énergie,
•    variant d'un tunnel à l'autre, de sa situation urbaine ou rurale et des risques encourus, des objectifs supplémentaires liés aux CME (conditions minimales d'exploitation) peuvent être fixés pour assurer l'alimentation électrique des équipements suivants, à condition que des procédures spécifiques soient mises en œuvre pendant toute la durée de la coupure de courant. Par exemple : alimentation électrique de secours du système de ventilation (par des générateurs ou une alimentation externe partielle) permettant de lutter contre les incendies de véhicules légers, mais pas contre les incendies de camions : le passage des camions est alors temporairement interdit.
Les dispositions habituellement mises en œuvre pour l'alimentation en énergie électrique sont les suivantes :
•    Alimentation électrique de secours à partir du réseau public :
o    2 à éventuellement 3 approvisionnements à partir du réseau public avec des connexions à des segments indépendants du réseau haute tension ou moyenne tension. Commutation automatique entre "alimentation normale" et "alimentation de secours" à l'intérieur de la sous-station électrique du tunnel avec, le cas échéant, interruption de l'alimentation électrique de certains équipements, si l'alimentation électrique externe de secours est insuffisante,
o    pas de générateur diesel,
o    installation d'une alimentation électrique de secours sans interruption.
•    Pas d'alimentation électrique de secours externe :
o    une alimentation électrique externe unique à partir du réseau public,
o    des générateurs diesel capables de fournir une partie du courant en cas d'interruption de l'alimentation électrique externe principale, et la mise en place de CME et de procédures d'exploitation particulières,
o    installation d'une alimentation électrique de secours sans interruption.
•    Autonomie totale de l'alimentation électrique - pas d'alimentation électrique externe disponible :
o    le réseau public n'est pas en mesure de fournir l'énergie nécessaire ou ne présente pas la fiabilité requise. Le tunnel est alors en totale autonomie. L'énergie est entièrement fournie par un ensemble de générateurs diesel fonctionnant simultanément. Un générateur supplémentaire est installé en "secours" au cas où l'un des générateurs tomberait en panne,
o    l'installation éventuelle d'une alimentation électrique de secours sans interruption, si le niveau de fiabilité des générateurs est jugé insuffisant, ou pour des raisons de sécurité.

4.2.b. Ventilation

Les recommandations de l'AIPCR sont nombreuses dans ce domaine et constituent les références internationales essentielles pour la conception et la réalisation des installations de ventilation. En plus du point 3.4 ci-dessus, le lecteur doit se référer au chapitre "Concepts de ventilation".
Toutefois, il faut rappeler que même si les équipements de ventilation constituent l'une des installations essentielles pour assurer la santé, le confort et la sécurité des usagers dans un tunnel, ils ne sont qu'un des maillons du système, dont les usagers, les exploitants et les équipes de secours et d'urgence constituent les éléments les plus importants par leur comportement, leur expertise et leur capacité d'action.
Les installations de ventilation ne peuvent à elles seules faire face à tous les scénarios, ni remplir toutes les fonctions qui pourraient être assumées, notamment en ce qui concerne le traitement de l'air et la protection de l'environnement.
La pertinence du choix d'un système de ventilation et de son dimensionnement nécessite une longue expérience, la compréhension des phénomènes complexes de la mécanique des fluides en milieu clos, associés aux étapes successives du développement d'un incendie, à la propagation, au rayonnement et aux échanges thermiques, ainsi qu'au développement et à la propagation des gaz toxiques et des fumées.
Les installations de ventilation sont en général consommatrices d'énergie et une attention particulière doit être accordée à l'optimisation de leur dimensionnement et de leur fonctionnement, en utilisant par exemple des systèmes experts.
Les installations de ventilation peuvent être très complexes, et leur gestion pertinente en cas d'incendie peut nécessiter la mise en place de systèmes automatisés qui permettent de gérer et de maîtriser la situation plus efficacement qu'un opérateur sous pression.
Comme indiqué au point 3.4 ci-dessus, les installations de ventilation doivent avant tout satisfaire aux exigences en matière de santé et d'hygiène dans des conditions normales de fonctionnement, ainsi qu'aux objectifs de sécurité en cas d'incendie.
La robustesse, la fiabilité, l'adaptabilité, la longévité et l'optimisation de la consommation d'énergie constituent des critères de qualité majeurs auxquels les installations de ventilation doivent répondre.

4.2.c. Équipement supplémentaire des installations de ventilation

Deux types d'équipements complémentaires pour la ventilation font souvent l'objet de demandes pressantes de la part des parties prenantes, des associations de résidents ou des lobbies :
•    Installations de traitement de l'air ou de purification de l'air,
•    Systèmes fixes d'extinction des incendies.
A. Installations de purification de l'air.
La page L'impact des tunnels sur la qualité de l'air extérieur traite de cette question et le lecteur est invité à s'y référer.
La mise en place d'installations de traitement de l'air est une demande récurrente des associations de protection des résidents dans les zones urbaines. Ces installations, généralement mises en  place en sous-sol, sont très coûteuses à construire ainsi qu'à exploiter et à entretenir. Elles sont également très consommatrices d'énergie.
Les résultats obtenus à ce jour sont loin d'être convaincants, en raison notamment des réductions importantes des émissions des véhicules et de la difficulté pour ces systèmes de nettoyer les très faibles concentrations de polluants qui se trouvent dans le tunnel, contenues dans de grands volumes d'air. En conséquence, de nombreux systèmes installés au cours des dix dernières années ne sont plus opérationnels.
L'avenir des installations de traitement de l'air est très incertain dans les pays où la réglementation est plus coercitive, imposant des réductions de plus en plus rigoureuses des émissions polluantes à la source.
B. Système fixe d'extinction des incendies (FFSS).
La page "Fixed Fire" Suppression Systemstraite de cette question, et le lecteur est invité à s'y référer.
Les technologies sont nombreuses et répondent à des critères variés : lutte contre l'incendie - confinement de l'incendie - réduction du rayonnement thermique et de la température pour les usagers situés à proximité de l'incendie - préservation de la structure du tunnel contre les dommages dus à la température élevée, etc.
Ces systèmes, bien que présentant des aspects positifs, présentent également des aspects négatifs liés notamment à la détérioration des conditions de visibilité s'ils sont activés dès le début de l'incendie. L'utilisation d'un FFSS nécessite une approche cohérente de tous les aspects de la sécurité des usagers, ainsi que de la stratégie de ventilation et d'évacuation.
La décision concernant la mise en œuvre ou non de ces systèmes est complexe et a des conséquences importantes. Elle doit faire l'objet d'une réflexion approfondie portant sur les conditions particulières de sécurité des travaux concernés et sur la valeur ajoutée obtenue par la mise en œuvre du système. Elle ne doit pas être prise sous l'influence de la mode ou d'un lobby.
Le FFSS nécessite la mise en œuvre d'importantes mesures de maintenance, la réalisation de tests réguliers et fréquents, sans lesquels sa fiabilité ne peut être assurée.

4.2.d. Éclairage

Les recommandations de la CIE (Commission internationale de l'éclairage) ont été critiquées par l'AIPCR en raison des niveaux d'éclairage élevés auxquels elles conduisent souvent. Le lecteur est invité à se référer au rapport technique publié par le CEN (Comité Européen de Normalisation) qui présente plusieurs méthodes dont celles de la CIE.
L'éclairage est un outil fondamental pour assurer le confort et la sécurité des usagers dans un tunnel. Les objectifs du niveau d'éclairage doivent être adaptés à la situation géographique du tunnel (urbain ou non), à ses caractéristiques (court ou très long), au volume et à la nature du trafic.
Les équipements d'éclairage consomment beaucoup d'énergie et des développements sont en cours pour optimiser leurs caractéristiques et leurs performances.

4.2.e. Transmission de données - Supervision - SCADA

Le SCADA est le "système nerveux" et le "cerveau" du tunnel, permettant la compilation, la transmission et le traitement des informations, puis la transmission des instructions de mise en œuvre de l'équipement.
Ce système nécessite une analyse minutieuse en fonction des conditions spécifiques à l'intérieur du tunnel, de ses installations, de l'organisation et du mode d'exploitation, du contexte des risques dans lequel le tunnel est placé, ainsi que des dispositions et procédures mises en œuvre pour les interventions.
L'organisation du centre de supervision et de contrôle doit être analysée très soigneusement, en fonction du contexte spécifique du tunnel (ou du groupe de tunnels), des moyens humains et matériels nécessaires, des missions à assumer, de l'aide essentielle apportée par les dispositifs automatiques ou les systèmes experts aux opérateurs en cas d'incident, permettant aux opérateurs de réduire et de simplifier leurs tâches et de les rendre plus efficaces.
La conception détaillée de ces systèmes est longue, délicate et nécessite une méthodologie très rigoureuse de développement, de contrôle par étapes successives (notamment lors des tests en usine), de test, de contrôle global après intégration de tous les systèmes sur site. L'expérience montre que les nombreuses erreurs constatées sur ces systèmes proviennent des lacunes suivantes :
•    des spécifications mal définies, une analyse fonctionnelle insuffisante ou une ignorance des conditions et des procédures opérationnelles,
•    un développement tardif des systèmes, qui ne laisse pas le temps nécessaire aux analyses détaillées, à l'intégration transversale, ou à la prise en compte des conditions particulières d'exploitation du tunnel,
•    le manque de rigueur dans le développement, les tests, le contrôle et l'intégration de tous les systèmes,
•    l'absence de prise en compte du comportement humain et de l'ergonomie générale,
•    le manque d'expérience dans l'exploitation des tunnels, dans la hiérarchie des décisions à intégrer et dans les séquences logiques de ces décisions en cas d'incident grave.
La page Systèmes de contrôle et d'acquisition de données (SCADA) du manuel résume ces différents aspects.

4.2.f. Radiocommunications - circuits basse tension

Ces installations comprennent :
•    réseau téléphonique d'urgence,
•    réseau radio pour les équipes d'intervention et les services d'urgence. Canaux radio pour les usagers du tunnel, par lesquels il est possible de transmettre des informations et des instructions relatives à la sécurité,
•    de nombreux capteurs destinés à la prise de mesures et à la détection,
•    Réseau CCTV.
•    un système DAI (Détection Automatique d’Incident) est généralement associé à un système de télévision en circuit fermé. Le système DAI nécessite un nombre accru de caméras afin de rendre la détection plus fiable et plus pertinente.

4.2.g. Signalisation

La signalisation se réfère à la page Panneaux d'itinéraire d'évacuation.
Plus encore que pour les autres installations, une surabondance de signalisation est préjudiciable à sa pertinence et à ses objectifs.
La lisibilité, la cohérence, l'homogénéité et la hiérarchie de la signalisation (priorité à la signalisation d'évacuation et à l'information des usagers) doivent être une priorité de la conception de la signalisation à l'intérieur du tunnel et sur ses voies d’accès.
Les panneaux de signalisation fixes, les signaux de voies de circulation, les signaux à messages variables, les feux de circulation et les feux d'arrêt, la signalisation des sorties de secours, la signalisation spécifique de ces sorties, la signalisation des niches de sécurité, les dispositifs physiques de fermeture des voies (barrières amovibles), les marquages horizontaux et les bandes rugueuses horizontales font tous partie des dispositifs de signalisation. Ils assurent une partie de la communication avec les usagers.

4.2.h. Dispositifs de lutte contre l'incendie

Les dispositifs de détection d'incendie sont soit localisés (détection d'incendie dans les sous-stations souterraines ou les locaux techniques), soit linéaires (câble de détection thermique) à l'intérieur de l'espace de circulation.
Il existe différents dispositifs pour combattre le feu :
•    des installations automatiques dans les locaux techniques et les sous-stations souterraines,
•    des extincteurs à poudre à l'usage des conducteurs,
•    installations pour les pompiers : conduites d'eau et bouches d'incendie - conduites en mousse dans certains pays. Le volume des réservoirs d'eau est variable. Il dépend de la réglementation locale et des conditions particulières du tunnel.
•    Certains tunnels sont équipés d'un FFSS (voir le point 4.2.c ci-dessus).

4.2.i. Matériel divers

D'autres équipements peuvent être installés en fonction des objectifs et des besoins concernant la sécurité, le confort et la protection de la structure. En voici quelques exemples :
•    des balises lumineuses insérées dans les murs latéraux ou les bordures de trottoir,
•    une main courante ou une "ligne de vie" fixée sur la paroi latérale permettant le déplacement en toute sécurité des pompiers dans une atmosphère enfumée,
•    la peinture des parois latérales ou l'installation de panneaux préfabriqués sur les parois latérales,
•    les dispositifs de protection des structures contre les dommages résultant d'un incendie. Ces dispositifs de protection doivent être pris en compte dès l'origine du projet. Les échanges thermiques (avec le revêtement en béton ou avec le sol) sont en effet modifiés lors d'un incendie, de même que les caractéristiques de l'air, qui doivent être prises en compte lors du dimensionnement des installations de ventilation,
•    la gestion et le traitement des eaux collectées sur la chaussée à l'intérieur du tunnel avant leur rejet à l'extérieur dans le milieu naturel,
•    des dispositions pour la mesure des conditions environnementales aux têtes des tunnels, associées à des procédures opérationnelles particulières si les limites définies par la réglementation sont dépassées.
 

Rénovation – Remise à niveau de tunnels existants

1. Diagnostic
2. Programme de rénovation ou de modernisation
3. Mise en œuvre de la conception et construction

La mise à niveau (notamment pour l'amélioration de la sécurité) et la rénovation des tunnels existants en exploitation posent des problèmes spécifiques d'analyse et de méthode. Le degré de liberté est moindre que pour les nouveaux tunnels, car il est nécessaire de tenir compte de l'espace et des contraintes existantes. Les technologies propres à chaque type d'équipement et leur intégration sont cependant identiques.

La rénovation et l'amélioration d'un tunnel en exploitation se traduisent très souvent par une augmentation du calendrier et des coûts de construction, par des conditions de sécurité beaucoup plus faibles pendant les travaux et par des impacts mal contrôlés sur le volume et les conditions de circulation. Ces inconvénients sont souvent le résultat d'une analyse incomplète de la situation existante, de l'état réel du tunnel, de ses installations et de son environnement, ainsi que d'un manque de stratégie et de procédures qui permettraient d'atténuer les effets sur le trafic. 

La page sur l'évaluation et l'amélioration de la sécurité dans les tunnels existants  propose une méthodologie pour le diagnostic de la sécurité des tunnels existants et l'élaboration d'un programme de modernisation. En outre, la page sur l'exploitation pendant les travaux d'entretien et de rénovation  présente des questions spécifiques liées aux travaux effectués sur les tunnels en exploitation. Leurs dispositions contribuent à atténuer les problèmes mentionnés ci-dessus.

Il convient d'attirer l'attention du lecteur sur les points clés des sections suivantes.

1. DIAGNOSTIC

Le diagnostic détaillé et rigoureux d'un tunnel est une étape essentielle dans le processus de sa modernisation ou de sa rénovation. Malheureusement, cette étape est souvent négligée.

Le diagnostic physique d'un tunnel est nécessaire pour :

•    établir en détail et décrire de manière précise les fonctions et la géométrie de la structure,
•    établir un état détaillé de la structure. Évaluer en particulier la résistance au feu, les incertitudes et les risques potentiels, et dresser la liste des essais qui seraient nécessaires pour fournir une base solide à la conception détaillée,
•    dresser la liste de tous les équipements existants, de leurs fonctions, de leur état, de leur technologie, de leurs caractéristiques réelles (des tests ou des mesures seront nécessaires) et du stock de pièces détachées qui pourraient être disponibles,
•    évaluer la durée de vie restante des équipements précités avant leur remplacement, et d'identifier la disponibilité ou non de pièces de rechange sur le marché (notamment en raison de l'obsolescence technologique),
•    identifier les rapports de maintenance et d'inspection, les dysfonctionnements des équipements et le taux de pannes.
Ce diagnostic physique doit être complété par un diagnostic concernant les procédures d'organisation, de maintenance et d'exploitation, ainsi que par un diagnostic spécifique concernant tous les documents relatifs à l'organisation des interventions de sécurité et de sauvetage. Cette étape du diagnostic peut éventuellement conduire à la mise en place d'actions de formation des différents intervenants afin d'améliorer les conditions globales de sécurité du tunnel dans son état initial avant sa rénovation.
Le diagnostic doit être suivi d'une analyse de risque du tunnel basée sur son état réel. Cette analyse a un double objectif :
•    évaluer si le tunnel peut continuer à être exploité dans son état actuel avant sa rénovation, ou s'il est nécessaire de prendre des dispositions transitoires temporaires : restriction de l'accès à certains véhicules seulement - renforcement du dispositif de surveillance et d'intervention - équipements supplémentaires - etc,
•    constituer un référentiel de l'état existant du point de vue de la sécurité afin d'affiner la définition du programme de rénovation.

Le diagnostic doit permettre de déterminer (sans courir le risque de découvertes tardives pendant la période des travaux) si les installations existantes, supposées en état de marche, peuvent être modifiées, ajoutées ou intégrées dans les futures installations mises à jour (compatibilité technologique - performances notamment pour la collecte et la transmission des données, dispositifs automatiques et SCADA).

2. PROGRAMME DE RÉNOVATION OU DE MODERNISATION

Le programme de rénovation ou de modernisation se déroule en deux étapes.

2.1. PREMIÈRE PHASE : DÉVELOPPEMENT DU PROGRAMME

Le développement du programme comprend :

•    le diagnostic détaillé tel que décrit ci-dessus,
•    l'analyse des risques qui s'est développée en tenant compte de l'état initial du tunnel,
•    les lacunes constatées en matière de sécurité,
•    l'analyse de ce qu'il est possible de réaliser dans les espaces existants et leurs éventuels élargissements afin de permettre la modernisation du tunnel.

En fonction de l'environnement physique du tunnel et des espaces disponibles, le programme optimal de modernisation de l'infrastructure ou des équipements peut ne pas être réalisable dans des conditions acceptables, et il est nécessaire de définir un programme plus restreint. Ce programme restreint peut nécessiter la mise en œuvre de mesures d'atténuation garantissant que le niveau de sécurité requis est atteint dans un sens global, après l'achèvement des travaux.

2.2. DEUXIÈME ÉTAPE : VALIDATION DU PROGRAMME

La validation du programme requiert :

•    l'élaboration d'une analyse des risques basée sur l'état final du tunnel après sa modernisation afin de tester les nouvelles dispositions introduites par le programme. Cette analyse doit être établie avec la même méthodologie que celle utilisée pour l'analyse préalable basée sur l'état initial. Elle permet également de rechercher des optimisations,
•    examen détaillé de la faisabilité des travaux à réaliser pour l'amélioration ou la rénovation dans les conditions d'exploitation requises : par exemple, interdiction de fermeture du tunnel ou de restrictions temporaires de la circulation. En cas d'incompatibilité entre les objectifs du programme et les travaux requis pour son application, une itération est nécessaire. Cette itération peut concerner :
o    le programme lui-même, dans la mesure où l'adaptation du programme est compatible, d'une part, avec les objectifs de sécurité et, d'autre part, avec sa mise en œuvre dans les conditions d'exploitation requises,
o    les conditions d'exploitation qu'il peut être nécessaire de modifier afin de réaliser physiquement les travaux résultant du programme de modernisation.
Le programme de mise à niveau ou d'amélioration ne nécessite pas nécessairement des travaux physiques. Il peut seulement nécessiter une modification des fonctionnalités du tunnel ou des modalités d'exploitation, par exemple :
•    modification de la catégorie des véhicules autorisés à accéder au tunnel : pas d'accès aux camions - pas d'accès aux véhicules transportant des marchandises dangereuses,
•    la mise en place de procédures spécifiques de restriction de la circulation : de manière permanente ou uniquement aux heures de pointe,
•    tunnel exploité initialement en trafic bidirectionnel, transformé pour la mise en œuvre d'un trafic unidirectionnel,
•    modification des moyens de contrôle ou d'intervention.

3. LA MISE EN ŒUVRE DE LA CONCEPTION ET LA CONSTRUCTION

La phase de réalisation de la conception et de la construction consiste à traduire le programme de rénovation ou de modernisation en spécifications techniques et contractuelles et à le mettre en œuvre.
Cette étape nécessite une analyse très détaillée des points suivants :

•    étapes successives de la construction, contenu de chacune de ces étapes, séquences logiques et prioritaires des travaux,
•    conditions de sécurité à l'intérieur du tunnel à chaque étape de la construction. Cela nécessite des analyses de risques partielles et la mise en place, si nécessaire, de dispositifs d'atténuation : régulation du trafic - restrictions de circulation - patrouille - renforcement des moyens d'intervention - etc.
•    conditions de circulation à l'intérieur du tunnel et à ses abords, avec des restrictions partielles et temporaires en fonction des différentes étapes des travaux (dispositions différentes pour le jour et la nuit, pour les périodes normales et les périodes de vacances), des déviations potentielles, impact global sur les conditions de circulation et de sécurité dans les zones concernées par les travaux,
•    les contraintes et les assujettissements, les délais contractuels partiels et globaux des travaux, afin de pouvoir d'une part définir les spécifications contractuelles de l’entreprise contractante, et d'autre part mettre en œuvre toutes les dispositions temporaires nécessaires, et de procéder à une campagne d'information des usagers et des résidents.
 

Coûts et aspects financiers

• 1 Avant-propos
• 2 Coûts de construction
• 3 Coûts d'exploitation
• 4 Coûts de travaux de mise à niveau
• 5 Aspects relatifs au financement

1. AVANT-PROPOS

Les tunnels sont des ouvrages de génie civil relativement coûteux en ce qui concerne leur construction et leur exploitation. Une attention particulière doit être accordée dès le début du projet afin d’identifier les éventuelles optimisations techniques et financières.
Il est recommandé, dès les premières étapes de la conception, de mettre en œuvre un processus comprenant
•    la définition détaillée de la "fonction" du tunnel,
•    un processus itératif d'"analyse de la valeur" réalisé à toutes les étapes stratégiques du projet, auquel il faut intégrer les différentes étapes de l'analyse des risques,
•    l'analyse détaillée et le suivi des risques potentiels lors des phases de conception et de construction. Ces risques potentiels sont liés aux points suivants :
o    incertitudes techniques liées notamment à la complexité du sol (incertitudes géologiques et géotechniques),
o    incertitudes liées aux prévisions de volume de trafic, qui constituent un risque important concernant les recettes dans le cas de la construction et du financement par "concession",
o    incertitudes et risques concernant l'environnement financier, en particulier l'évolution des taux d'intérêt et des conditions de financement et de refinancement. Cet aspect constitue un risque important dans le cas de la construction et du financement par "concession" ou par PPP (Partenariat Public Privé) avec une contribution financière.
Ce processus permettra l'optimisation du projet (coûts de construction et d'exploitation) et une meilleure gestion des risques techniques et financiers, ainsi que du calendrier.

2. LES COÛTS DE CONSTRUCTION

2.1. RATIOS DE COÛTS PAR KILOMÈTRE

Les coûts de construction des tunnels sont très variables et il est impossible de donner des ratios représentatifs des coûts par kilomètre, car ces ratios peuvent varier dans des proportions importantes (en moyenne de 1 à 5) en fonction notamment : 
•    des conditions géologiques,
•    des difficultés concernant les routes d'accès et les têtes du tunnel,
•    de la situation géographique du tunnel : urbain ou non urbain,
•    de la longueur du tunnel : en particulier, "le poids des installations de ventilation et des dispositifs de sécurité est plus important pour un long tunnel ; en revanche, tous les travaux concernant les routes d'accès et les têtes ont un impact plus important pour un tunnel court,
•    du volume de trafic qui est un facteur déterminant pour le dimensionnement du nombre de voies, ainsi que pour les installations de ventilation,
•    de la nature du trafic : en particulier, un tunnel emprunté par des véhicules transportant des marchandises dangereuses nécessitera des dispositions coûteuses pour la ventilation, la sécurité et éventuellement la résistance au feu de la structure ; à l'inverse, un tunnel dédié au transit de véhicules légers uniquement peut permettre des économies importantes en raison de la réduction éventuelle de la largeur des voies, de la hauteur libre et des exigences réduites pour les installations de ventilation,
•    de l'environnement du tunnel qui peut entraîner des mesures de protection coûteuses pour en atténuer l'impact,
•    des dispositions prises pour la gestion ou le partage des risques de construction,
•    de l'environnement socio-économique du pays dans lequel le tunnel doit être construit. L'impact peut atteindre environ 20 % des coûts,
•    des méthodes de construction choisies comme étant les plus techniques et les plus viables économiquement. Toutefois, les travaux de tunnel doivent également respecter toutes les exigences externes imposées par les autorités, les parties prenantes et les voisins en ce qui concerne, par exemple, la protection de l'environnement et les aspects de santé et de sécurité pendant la construction.
Tout au plus est-il possible d'indiquer que le coût moyen d'un tunnel habituel, construit dans des conditions géotechniques moyennes, est environ dix fois supérieur au coût de l'infrastructure équivalente construite en plein air (en dehors des zones urbaines).

2.2. RÉPARTITION DES COÛTS DE CONSTRUCTION

Le coût de construction d'un tunnel peut se décomposer en trois types de coûts :

•    le coût des ouvrages de génie civil,
•    le coût des installations d'exploitation, y compris le centre de supervision et l'approvisionnement en énergie à partir des réseaux publics,
•    les coûts divers, notamment : les coûts du maitre d’ouvrage pour le développement du projet - la gestion du projet - la conception et la supervision du site - les enquêtes et les investigations sur le terrain - les études environnementales et les mesures d'atténuation - les acquisitions de terrains - les procédures diverses - etc.

Les deux diagrammes ci-dessous présentent des exemples de la répartition des coûts de construction, d'une part pour les tunnels dont les conditions des travaux de génie civil ne sont pas complexes, et d'autre part pour les tunnels dont les conditions des travaux de génie civil sont moins favorables.

Figure 1 : Ventilation des coûts de construction

Note : ces deux diagrammes montrent l'importance des coûts des travaux de génie civil et illustrent les conséquences d'un quasi-doublement des coûts des travaux de génie civil (diagramme de droite).

3. LES COÛTS DE FONCTIONNEMENT

Les coûts d'exploitation d'un tunnel peuvent être ventilés en trois types de coûts :

•    les coûts de fonctionnement en tant que tels, qui comprennent essentiellement le personnel, l'énergie, ainsi que la gestion et les équipements consommables. Il s'agit de coûts récurrents ;
•    les coûts annuels récurrents liés à l'entretien ;
•    les coûts des réparations lourdes, ainsi que les coûts de remplacement des équipements en fonction de leur durée de vie et de leur état pendant la durée de vie du tunnel. Ces coûts ne sont pas récurrents et dépendent de l'équipement, de sa qualité et des conditions de maintenance, à partir de la dixième ou douzième année après le début de la période d'exploitation.

Les deux diagrammes ci-dessous représentent des exemples de ventilation (à conditions économiques constantes) des coûts de construction (travaux de génie civil, installations d'exploitation, coûts divers) et des coûts globaux d'exploitation (cumulés sur une durée de trente ans après le début de la période d'exploitation).

Figure 2 : Ventilation des coûts sur une période de 30 ans

Note : ces diagrammes montrent l'importance des coûts d'exploitation et d'entretien et la nécessité de choisir dès les premières étapes de la conception du tunnel les dispositions qui permettent d'optimiser les coûts récurrents d'exploitation et d'entretien.

4. LES COÛTS DE RÉNOVATION ET DE MODERNISATION

Cette section concerne les travaux de rénovation ou de mise à niveau qui sont nécessaires pour "passer" à la nouvelle réglementation. Les travaux concernent les modalités d'évacuation, la résistance au feu de la structure, les installations d'exploitation et de sécurité, ainsi que toutes les exigences pour satisfaire aux nouvelles réglementations en matière de sécurité.
Il n'est pas possible de donner des prix statistiques en raison de la diversité des tunnels existants, de leur état, de leur trafic et des exigences plus ou moins importantes des nouvelles réglementations de sécurité qui peuvent varier d'un pays à l'autre.
Les observations faites en France pour cette nature de travaux de mise en conformité avec la nouvelle réglementation, qui ont été réalisés depuis l'année 2000, montrent une grande variation des budgets correspondants avec une fourchette de coûts allant d'environ dix millions d'euros à plusieurs centaines de millions d'euros (il y a eu plusieurs programmes de mise en conformité avec un budget de plus de 200 millions d'euros).

5. ASPECTS RELATIFS AU FINANCEMENT

Les tunnels constituent des infrastructures coûteuses en termes de construction et d'exploitation, mais cela est compensé par des avantages économiques, notamment le développement régional, la fluidité du trafic, le confort, la sécurité, la fiabilité des itinéraires (passages de montagne) ainsi que la protection de l'environnement.
Le financement de ces travaux est assuré soit par :
•    le "mode traditionnel" : financement et entretien par une autorité publique, les ressources financières provenant alors de la fiscalité publique ou des taxes sur les carburants,
•    une "concession" à un organisme privé ou semi-public, qui est chargé de la construction et de l'exploitation du tunnel pendant une période contractuelle. Cet organisme est chargé du financement (souvent en partie par un prêt), qui est compensé par un péage payé par les usagers, qui rembourse les coûts de la construction et de l'exploitation, ainsi que les risques et les frais financiers. Ce type de "concession" peut être accordé par l'implication financière du concédant ou par des garanties particulières (exemple : garantie d'un volume de trafic minimal avec le paiement d'une compensation financière si ce volume de trafic minimal n'est pas atteint),
•    "mode mixte" de PPP (partenariat public-privé) ou similaire, qui peut concerner :
o    uniquement la construction ou la construction et l'exploitation,
o    la construction dans le cadre d'un système "clé en main" dans le cas d'un processus de "conception et de construction",
o    le financement partiel ou total.
Le présent manuel ne prétend pas détailler ces différents modes de financement, ni présenter leurs mécanismes, leurs avantages ou leurs inconvénients. Toutefois, il est intéressant de présenter quelques grandes lignes directrices tirées de l'expérience, qui en donnent une première illustration.

A) LE FINANCEMENT PAR UNE AUTORITÉ PUBLIQUE

Ce mode de financement est largement utilisé. Il permet de développer un projet d'infrastructure dont le financement ne pourrait être obtenu par une "concession" (faute de revenus suffisants provenant de la perception du péage), ou lorsqu'il existe une volonté politique d'éviter un péage.
Il faut cependant que l'autorité publique ait la capacité financière d'assurer ce financement, ou qu'elle ait la capacité d'emprunter de l'argent et de supporter une dette. Les ressources financières proviennent essentiellement de la fiscalité publique ou des taxes sur les carburants et parfois partiellement du péage.

B) LE FINANCEMENT PAR "CONCESSION" - TUNNEL FAISANT PARTIE D'UNE INFRASTRUCTURE GLOBALE

Le financement d'un "tunnel non auto-financé" par une "concession" (avec ou sans participation financière du concédant) est le cas général d'un tunnel faisant partie d'une nouvelle autoroute interurbaine à péage. Les coûts (construction et exploitation) du tunnel sont répartis entre le tunnel et l'infrastructure linéaire en surface. L'expérience montre que le surcoût du péage moyen par kilomètre est accepté par les usagers pour autant que la nouvelle infrastructure apporte une valeur ajoutée suffisante en termes de gain de temps, de service meilleur ou plus fiable, de confort et de sécurité.

C) FINANCEMENT PAR "CONCESSION" - TUNNEL ISOLÉ

Il existe deux grandes catégories de tunnels isolés.
•    Tunnels correspondant à une amélioration majeure des conditions de circulation. C'est notamment le cas des tunnels urbains visant à alléger le trafic et à réduire les temps de parcours. L'expérience montre que le financement par "concession" n'est réellement prévisible que lorsque les conditions suivantes sont remplies :
o    des volumes de trafic élevés,
o    pays à haut niveau de vie et de revenus, permettant des tarifs de péage substantiels, essentiels pour assurer l'équilibre financier,
o    gain de temps significatif pour les usagers, qui accepteront en retour un tarif de péage relativement élevé,
o    durée de la concession d'une cinquantaine d'années au moins.
•    Les tunnels de "développement régional", destinés à franchir un obstacle naturel majeur (chaîne de montagnes - estuaire). Ces obstacles constituent un handicap important pour le commerce. Le volume de trafic initial est généralement relativement faible. La nouvelle liaison avec le tunnel permettra la croissance du trafic, mais une telle évolution est souvent très difficile à prévoir à l'avance, et elle constitue un paramètre de risque financier essentiel pour le financement de la concession. L'expérience montre que le financement par "concession" n'est alors réaliste que lorsque les conditions suivantes sont remplies : 
o    L'obstacle naturel est important et le tunnel est suffisamment attrayant (gain de temps, niveau de service, service fourni, fiabilité de la liaison) pour attirer tout le trafic existant malgré le péage,
o    Participation financière du bailleur de fonds (éventuellement aussi des parties prenantes), soit par une contribution financière, soit par une participation directe à la construction et au financement d'une partie des travaux (par exemple la construction des routes d'accès),
o    Garantie d'un volume de trafic minimal par le concédant, avec le paiement d'une contribution financière contractuelle si le volume de trafic minimal n'est pas atteint,
o    Les accords contractuels de partage des risques majeurs peuvent mettre en péril le modèle financier s'ils dépassent les limites ou les conditions définies par le contrat,
o    Très longue durée de la concession : souvent 70 ans ou plus,
o    Garantie financière apportée par le concédant, afin de permettre à l'organisme concessionnaire de bénéficier de conditions de prêts plus favorables sur le marché financier, ce qui peut mieux assurer la faisabilité du montage financier.

D) FINANCEMENT PAR PPP OU SIMILAIRE

•    L'éventail des contenus d'un mode PPP est très large et il est difficile d'établir des lignes directrices en raison de l'étendue des possibilités.
•    Ce mode de financement engage les autorités publiques à une contribution financière à long terme. Une analyse détaillée est nécessaire pour évaluer l'avantage réel de ce mode de financement par rapport au financement traditionnel. En effet, ce mode de financement contribue très souvent à augmenter le coût global du projet (à fonctionnalité et qualité égales) en raison de la compensation du risque assumé par le développeur.
•    Les autorités publiques doivent définir avec soin les fonctions requises du tunnel, ainsi que les objectifs concernant la qualité, le confort, la sécurité, le niveau de service, la durée de vie, le taux de disponibilité, les pénalités, etc. afin d'éviter toute ambiguïté qui pourrait entraîner d'importants malentendus et des dépassements financiers dans le développement du projet.
 

Réseaux souterrains complexes

• 1 Introduction
• 2 Etude de cas
• 3 Enjeux stratégiques particuliers
• Kit Multimédia

1. INTRODUCTION

Le rapport technique 2016R19EN Tunnels routiers : Les réseaux routiers souterrains complexes reflète les enquêtes menées sur des études de cas de réseaux routiers souterrains complexes. Un résumé de ce rapport est présenté dans la section 2 ci-dessous. 

Des recommandations spécifiques seront publiées dans un deuxième rapport très prochainement.

La terminologie "Tunnels routiers souterrains complexes" couvre les infrastructures suivantes :

•    Une séquence de tunnels successifs : à titre d'exemple, citons l'analyse entreprise pour Prague, La Haye, Oslo et Tromsø ;
•    Tunnels multimodaux : l'analyse entreprise pour La Haye et Lyon avec une utilisation partagée entre les bus, les piétons, les vélos et les trams en est un exemple ;
•    Tunnels donnant accès aux centres d'affaires et de commerce (pour l'accès du public et la livraison de fret) : les exemples comprennent l'analyse entreprise pour Helsinki et Paris-La-Défense. Ces structures comportent généralement une multitude d'interfaces entre de nombreux exploitants, ce qui représente une part importante de leur complexité ;
•    Tunnels ayant une double fonction de transit et d'accès aux parkings souterrains : on peut citer comme exemple l'analyse entreprise pour Annecy, Bruxelles et Tromsø ;
•    Tunnels à gabarit réduit : à titre d'exemple, citons l'analyse entreprise pour le Duplex A 86 en région parisienne ;
•    Infrastructure souterraine avec de nombreuses entrées et sorties, ainsi que des échangeurs souterrains. Cette catégorie de réseau de tunnels est identifiée comme l'exemple clé des "tunnels routiers souterrains complexes" et est la plus importante dans le panel d'analyse. 

Toutes les structures partagent plusieurs caractéristiques similaires :

•    Complexité,
•    Localisation - essentiellement dans les zones urbaines et suburbaines,
•    De nombreuses interfaces avec d'autres infrastructures ou avec les réseaux voisins auxquels elles sont connectées, créant ainsi de nombreuses interactions entre les exploitants des différentes infrastructures et réseaux. 
 

2. ÉTUDES DE CAS

2.1. OBJECTIFS ET MÉTHODOLOGIE

L'objectif de l'étude de cas était d'identifier les structures de ce type dans le monde, de résumer les informations recueillies, de les analyser et d'établir un certain nombre de recommandations préliminaires à l'intention des maitres d’ouvrages, des concepteurs et des exploitants. 

Bien que cette collection d'informations ne soit pas exhaustive et que les résumés ne constituent pas une base de données scientifique, elle contient néanmoins des résultats pertinents et intéressants. La collecte d'informations a été limitée aux pays d'origine des membres du groupe de travail 5, dans lesquels le groupe de travail avait des correspondants actifs à leur disposition. 

La méthodologie générale a été la suivante :

•    Rédaction d'un questionnaire détaillé,
•    Enquête par le biais d'entretiens avec les exploitants, les propriétaires et les concepteurs,
•    Analyse des informations recueillies au cours de l'enquête,
•    Établissement de résumés,
•    Rédaction de recommandations préliminaires.

Avec plus de 600 pages, un volume important d'informations a été collecté.  C'est pourquoi une publication directe de toutes les informations a été jugée inappropriée.  Le groupe de travail en a décidé ainsi :

•    Présenter une vue d'ensemble des informations,
•    Etablir une fiche monographique pour chacune des structures analysées (voir section 2.5).

2.2. TUNNELS ÉTUDIÉS

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.

 

Figure 1 : Répartition des complexes de tunnels dans l'étude de cas et répartition détaillée en Europe

Les tunnels européens semblent surreprésentés dans l'analyse de l'échantillon. Cela est dû à :
•    une plus grande prééminence d'une planification structurelle de cette nature dans les territoires européens, à partir d'un coût d'investissement nécessaire important (en limitant le nombre de pays qui peuvent en supporter la charge) ; 
•    la difficulté de recueillir des informations complètes sur plusieurs pays (hors Europe) qui ont été initialement identifiés. 

2.3. RÉSUMÉ DES INFORMATIONS CLÉS

Les principales informations présentées dans l'analyse se concentrent sur les aspects suivants :
•    La "longueur nominale" : ces longueurs vont de 400 m à 16,4 km ;
•    La longueur totale de chaque réseau souterrain : ces longueurs vont de 1,1 km à 32,8 km ;
•    L'année de mise en service : le plus ancien tunnel de l'échantillon a été ouvert en 1952 ; les tunnels les plus récents ont été mis en service en 2014. Parmi les tunnels étudiés, 73 % ont été mis en service au cours des trente dernières années ;
•    Volume de trafic : les trois tunnels les plus fréquentés ont un volume de trafic compris entre 150 000 et 160 000 véhicules par jour ;
•    La localisation géographique des structures par rapport au nombre d'habitants qui peuplent la zone urbaine desservie par le ou les tunnels ;
•    Les méthodes de construction : 44% ont été construits sous forme de tranchées couvertes, 44% par forage et dynamitage, et 12% par TBM ou blindage ou tube immergé ;
•    Caractéristiques géométriques minimales, y compris le tracé en plan et le profil en long ;
•    Les pentes maximales pour les rampes et les déclivités en descente ;
•    Le nombre d'échangeurs souterrains ou de rampes d'entrée et de sortie : par exemple, deux complexes de tunnels comportent plus de 40 entrées et sorties ;
•    La largeur des voies de circulation : elles varient de 3,0 m à 4,5 m, les deux tiers des structures ayant une largeur de couloir égale à 3,5 m ;
•    La hauteur libre : elle varie de 2,0 m et 4,8 m ;
•    Les éléments latéraux : les emplacements d'arrêt d'urgence, les trottoirs ;
•    La limite de vitesse, qui est limitée à 70 km/h dans la majorité des structures étudiées ;
•    La nature du trafic : la majorité des tunnels étudiés interdisent l'utilisation de véhicules lourds ;
•    Taux de pannes et d'accidents ;
•    Nombre annuel d'incendies ;
•    Les sorties de secours et les équipements de sécurité ;
•    Le système de ventilation ;
•    L'organisation de l’exploitation et de la maintenance.

2.4. RECOMMANDATIONS PRÉLIMINAIRES

À partir de l'analyse des informations, le groupe de travail a établi un certain nombre de recommandations préliminaires. 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, présentées au chapitre 11 - Situation actuelle, commentaires et recommandations préliminaires du rapport, portent sur les aspects 

a - Géométrie

Les réseaux routiers souterrains sont principalement situés dans les zones urbaines, et leur conception (en particulier leur tracé) présente plusieurs contraintes.
Les conditions géométriques qui contribuent souvent aux incidents de circulation sont notamment les suivantes : tracé en plan sinueux, visibilité insuffisante à proximité des zones d'accès et de sortie, caractéristiques insuffisamment définies des voies qui se rejoignent ou divergent et, connexions de rampes de sortie mal conçues vers le réseau routier de surface, ce qui entraîne une congestion dans le tunnel principal, etc. 
Il est recommandé de tenir compte des éléments suivants lors de la préparation du tracé :
•    Ne pas être limité par une simple approche géométrique, liée uniquement aux contraintes du sous-sol et de la surface du terrain, 
•    Mettre en œuvre une vision globale, en tenant compte notamment des contraintes foncières, des conditions initiales de circulation, de l'évolution envisagée des conditions de circulation, des conditions d'exploitation et de sécurité, du contexte géologique, géotechnique et environnemental, ainsi que de la méthodologie de construction et de tous les autres paramètres propres au projet concerné (voir section 3 ci-dessous).

b - Coupe transversale

Les enquêtes mentionnées ci-dessus montrent que 80 % des tunnels analysés interdisent le transit de véhicules de plus de 3,5 tonnes (ou 12 tonnes dans certains cas). Cependant, la conception des tunnels ne tient pas compte de cette restriction et ne reconsidère pas l'optimisation de la largeur des voies de circulation ainsi que la hauteur libre. 
Les enquêtes menées sur des projets récents montrent que des économies substantielles (de 20 à 30 % selon les caractéristiques de conception finales) peuvent être obtenues en choisissant un gabarit réduit pour les tunnels qui interdisent l'utilisation de véhicules lourds. 
Il est recommandé que, au stade le plus précoce de l'élaboration des projets de tunnel, des études détaillées soient entreprises pour examiner et analyser la "fonction" du tunnel, les conditions de circulation (volume et nature des véhicules), ainsi que la faisabilité financière et les méthodes de financement. Cela devrait être fait de manière à analyser les avantages d'un tronçon à caractéristiques géométriques réduites. Cela peut faciliter l'optimisation financière du projet sans réduire le niveau de service ni affecter les conditions de sécurité.

c - Ventilation

Les réseaux routiers souterrains sont généralement soumis à un trafic important. Les embouteillages sont fréquents et la probabilité qu'un goulot d'étranglement se forme sur le réseau est élevée et récurrente. Par conséquent, le système de ventilation doit être développé avec une analyse détaillée des risques et des dangers, en tenant compte de l'existence de goulots d'étranglement.
Un système de ventilation longitudinale "pure" est rarement la seule réponse appropriée à toutes les exigences de sécurité, surtout dans le cas d'un incendie situé en amont d'un trafic congestionné. Un système de ventilation longitudinale entraînera une déstratification de la fumée en aval du lieu de l'incident.  Cela constitue un danger pour tout usager du tunnel bloqué ou en cas de circulation lente en aval. 
L'ajout d'une galerie de désenfumage ou le choix d'un système de ventilation transversal ou semi-transversal est souvent vital si aucune autre mesure d'amélioration de la sécurité réaliste ou réalisable ne peut être mise en place, et considérée comme efficace.
Il est également nécessaire de mettre en place des équipements permettant aux différentes parties du réseau de fonctionner indépendamment les unes des autres.  Cela facilitera le contrôle et la gestion de la propagation de la fumée lors d'un incendie. 
Les risques associés aux véhicules transportant des marchandises dangereuses qui empruntent un tunnel à forte densité de trafic urbain doivent être analysés avec soin. Il n'existe pas de système de ventilation capable de réduire de manière significative les effets d'un grand incendie de marchandises dangereuses dans de telles conditions de circulation.

d - Lutte contre l'incendie

Le délai nécessaire à l'arrivée des équipes d'intervention sur place doit être soumis à une analyse détaillée dans des conditions de circulation normales et aux heures de pointe. L'objectif est de déterminer s'il est nécessaire ou non de prévoir des installations et des moyens de première intervention à proximité des têtes du tunnel.
La rotation du personnel des pompiers est relativement élevée dans les zones urbaines et leurs interventions dans les tunnels sont relativement rares. Le taux élevé de rotation peut entraîner une perte de compétences spécialisées dans l'intervention dans les tunnels. Il est donc essentiel de mettre en place des outils qui permettent une formation professionnelle continue des équipes. Un modèle 3D virtuel du réseau, associé à un logiciel de simulation, peut fournir des outils pertinents, conviviaux et efficaces. 

e - Signalisation

Il est fondamental d'assurer une bonne visibilité des rampes de sortie et une bonne lisibilité de la signalisation, afin de réduire le risque d'accidents lorsque les rampes de sortie s'écartent de la chaussée principale. 
L'emplacement des échangeurs, des rampes d'entrée et de sortie, ainsi que le concept de signalisation doivent être analysés à partir des études de conception. 

f - Environnement

Afin de réduire la pollution atmosphérique, les communautés, les parties prenantes et les résidents exigent souvent l'installation de dispositifs de filtration de l'air dans les tunnels avant qu'il ne soit rejeté dans l'atmosphère. 
Il en résulte une décision d'installer des équipements de filtration qui est rarement rationnelle ou technique, mais une réponse ad hoc à la pression de l'opinion publique. Avant toute prise de décision sur cette question, il est cependant essentiel de :
•    Effectuer une analyse pour fournir une évaluation de l'efficacité réelle attendue en matière de qualité de l'air, et la comparer à l'estimation des coûts d'investissement et des coûts opérationnels (en particulier les coûts énergétiques et de maintenance) afin d'établir un rapport prévisionnel rationnel et équilibré de la situation technique et financière ;
•    Prendre en compte les progrès réalisés par l'industrie automobile pour réduire les émissions et la pollution des véhicules et ainsi limiter la concentration de polluants. Cette réduction de la concentration de polluants entraînerait, avec le temps, la diminution de l'efficacité des dispositifs de filtration de l'air installés ;
•    Analyser l'expérience internationale et identifier les raisons pour lesquelles de nombreuses installations de traitement de l'air existantes ont été mises hors service. 

g - Conditions de circulation - Gestion du trafic

Les liaisons entre les rampes de sortie et le réseau de surface doivent être équipées de manière à permettre la supervision et la gestion du trafic en temps réel. Cette disposition permet de réduire les embouteillages à l'intérieur du tunnel et d'améliorer la sécurité si les incidents dans le tunnel nécessitent une évacuation rapide des usagers. 

h – Exploitation 

La coordination entre les exploitants des infrastructures physiquement connectées est en général adéquate. Toutefois, il est souvent essentiel d'améliorer cette coordination en clarifiant la situation et le rôle de chaque exploitant (notamment en cas de congestion du trafic et d'incendie) en définissant des procédures communes et en déterminant les priorités entre les différentes parties de l'infrastructure et leur trafic. 

2.5 MONOGRAPHIES

Kit Multimedia

RÈGLEMENTATIONS - RECOMMANDATIONS

Les pays qui possèdent de nombreux tunnels sont dotés de réglementations et ont élaboré des recommandations et des lignes directrices pour la conception, la construction, l'exploitation, la maintenance, la sécurité et l'intervention des services de secours.

Concernant les conditions de sécurité dans les tunnels routiers, les pays appartenant à l'Union européenne sont soumis à la directive 2004/54/CE qui prescrit un niveau minimum de dispositions à mettre en œuvre pour assurer la sécurité des usagers dans les tunnels de plus de 500 m faisant partie du réseau routier transeuropéen. Un groupe plus large de pays européens est également lié par une convention internationale, l'Accord européen relatif au transport international des marchandises dangereuses par route (ADR), qui comprend des dispositions spécifiques pour les tunnels. Chaque pays membre a transposé ces règlements européens dans sa propre législation nationale. Certains pays membres ont mis en place des règlements supplémentaires plus exigeants que celui qui résulte de la transposition du règlement européen.

Une liste des règlements et recommandations concernant l'exploitation et la sécurité des tunnels routiers a été établie en coopération entre PIARC et le comité pour la sécurité en exploitation des installations souterraines (ITA-COSUF) de l'association internationale des tunnels et des espaces souterrains (ITA - AITES). Ce document peut être consulté sur la page web ITA-COSUF (Publications). Cette liste n'est pas exhaustive mais présente un panel international de vingt-sept pays et trois organisations internationales.

De nombreux pays n'ont pas de réglementation relative aux tunnels et à la sécurité dans les tunnels, car ils n'ont pas de tunnels routiers sur leur territoire. Il est recommandé à ces pays de choisir un ensemble complet et cohérent des réglementations existantes d'un pays ayant une longue expérience dans le domaine des tunnels, et de ne pas multiplier la provenance des documents en puisant dans différentes sources. Les recommandations de l'AIPCR, telles que résumées dans le présent manuel, ainsi que celles de la directive européenne 2004/54/CE constituent également des références internationales qui sont de plus en plus souvent appliquées.