Manuel des tunnels routiers
Manuel des tunnels routiers
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.
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".
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.
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.
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.
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.
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".
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
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.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.
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