Manuel des tunnels routiers
Manuel des tunnels routiers
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.
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.
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.
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.
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
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.
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)
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.
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.
| INFRASTRUCTURE | Impact | Commentaires |
|---|---|---|
| Issues et galeries de secours | A l'intérieur du tunnel - Galerie parallèle indépendante - Connexion directe avec l'extérieur - Connexion entre les deux tubes | |
| Accès des services de secours | A partir d'un tube - Accès dédiés - Accès commun aux circuits d'évacuation | |
| Nombre de personnes à évacuer | Dimensions des ouvrages d'évacuation - Espacement des connexions avec le tunnel | |
| Ventilation | Concept de ventilation - Conditions particulières d'exploitation et de trafic rendant inapproprié un système de ventilation strictement longitudinale |
| EXPLOITATION | Impact | Commentaires |
|---|---|---|
| Plan d'intervention des secours | Signalisation - GTC et supervision - Communication avec les usagers | |
| Equipes d'intervention | Dimension des locaux de tête de tunnel - Eventuellement locaux spécifiques en tunnel - Moyens particuliers - Volume des réservoirs d'eau | |
| Entraînement des équipes | Equipements particuliers externes - Logiciels spécifiques de simulation |
| VEHICULES | Impact | Commentaires |
|---|---|---|
| Trafic moyen - Trafic heure de pointe | Nombre de voies - Concept et dimensionnement de la ventilation | |
| Transport de matières dangereuses (TMD) | Impact sur le système de ventilation - Dispositifs particuliers de recueil des matières dangereuses liquides - Passage des TMD en convoi accompagné des pompiers --> parking d'attente et personnel d'accompagnement | |
| Etat des véhicules | Dans des cas particuliers, contrôle des dimensions des véhicules et de la surchauffe des organes mécaniques avant l'entrée en tunnel --> portique de contrôle des températures + parking d'attente + personnel | |
| Restriction de passage à certaines catégories de véhicules | Exemple: tunnel urbain dédié aux véhicules légers: géométrie, largeur de voies, hauteur libre, ventilation, issues de secours |
| USAGERS DU TUNNEL | Impact | Commentaires |
|---|---|---|
| Information | Dépliants distribués avant l'entrée en tunnel - Campagne d'information TV | |
| Communication continue | Signalisation, PMV, transmission radio - Feux de signalisation et d'affectation des voies Impact sur la section transversale, les équipements d'exploitation et de sécurité, la GCT et la supervision, éventuellement les barrières motorisées télécommandées |
|
| Formation | Auto-écoles (dans de nombreux pays européens) | |
| Guidage vers les issues de secours | Signalisation - Main courante - Feux flash - Sonorisation Impact sur les équipements d'exploitation et de sécurité, la GTC et la supervision |
|
| Contrôle de la vitesse et de l'espacement entre véhicules | Contrôles de vitesse et d'interdistances entre véhicules Impact sur les équipements d'exploitation, la GCT et la supervision |
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.
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