Ingénierie des tunnels : des chemins anciens aux TBM modernes et innovations futures

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Contexte

Un tunnel est un passage souterrain ou sous-marin qui est principalement horizontal. Les tunnels de petit diamètre transportent des lignes de services ou servent de pipelines, tandis que les plus grands — souvent utilisés pour le trafic ferroviaire ou automobile — comportent deux ou trois passages parallèles pour le flux en sens inverse, les véhicules de service et les issues de secours.

Le plus long tunnel de transport d'eau au monde s'étend sur 170 km de la rivière Delaware à New York. Le plus long tunnel pour le transport de personnes est le tunnel ferroviaire Seikan du Japon, long de 53 km avec un diamètre de 9,7 m, reliant Honshu et Hokkaido sous le détroit de Tsugaru.

Le tunnel le plus célèbre des temps modernes est sans doute le Tunnel sous la Manche, achevé en 1994. Il relie la Grande-Bretagne à l'Europe continentale par trois tubes de 50 km — deux à sens unique et un tunnel de service — dont 37 km sont sous l'eau.

Histoire

Les civilisations anciennes des régions indienne et méditerranéenne creusaient des tunnels à la main en utilisant des scies en cuivre, le feu et des scies à roche primitives. La méthode babylonienne de tranchée couverte, développée il y a 4 000 ans, reste une technique fondamentale aujourd'hui.

Les percées de la poudre à canon en 1681 ont produit un tunnel de canal de 160 m en France, tandis que le milieu du 19e siècle a vu la nitroglycérine (dynamite) et les forages à vapeur remplacer la poudre noire, révolutionnant l'excavation.

Marc Brunel et James Greathead ont été les pionniers du bouclier de forage entre 1820 et 1865, permettant la construction de deux tunnels sous la Tamise. Leur bouclier divisait le front de taille en compartiments, permettant aux ouvriers d'excaver et de soutenir le tunnel incrémentalement.

En 1873, Clinton Haskins a utilisé de l'air comprimé pour empêcher l'eau d'entrer dans un tunnel ferroviaire sous l'Hudson — une technique encore utilisée, bien qu'elle exige une gestion prudente de la pression et des caissons de décompression pour les ouvriers.

La stabilisation des sols a évolué du gel (circulation de fluide frigorigène) à l'injection — injection d'agents de liaison liquides dans la roche environnante. Le béton projeté, inventé en 1907, a servi de revêtement préliminaire et final depuis les années 1920.

Le « jumbo de forage » de 1931 et le tunnelier (TBM) de 1954 ont marqué des sauts technologiques majeurs, permettant à de grandes machines sur mesure de couper roche et sol efficacement.

Matières premières

Les matériaux de construction des tunnels varient selon la conception et la méthode. Les injections contiennent souvent du silicate de sodium, chaux, fumée de silice, ciment et bentonite, une argile volcanique offrant absorbant et lubrification. La boue de bentonite-eau facilite l'évacuation des déblais, tandis que l'eau, la saumure ou l'azote liquide gèlent les terrains meubles. Le béton armé — projeté, coulé sur place ou préfabriqué — est le revêtement le plus courant.

Choix de la méthode

La sélection dépend de la géologie, du coût et du potentiel de perturbation. Plusieurs méthodes peuvent coexister dans un seul projet ; par exemple, le Central Artery/Tunnel de Boston emploie quatre techniques distinctes selon les sections.

Le processus de fabrication

Préparation

• La géologie du site est évaluée par des relevés de surface et des carottages. Un tunnel pilote — généralement un tiers du diamètre du tunnel principal — est souvent construit le long du tracé pour tester la géologie et les méthodes de construction, fournissant ventilation, accès de service et issues de secours.
• La stabilisation du sol peut impliquer l'injection via de petits tuyaux ou le gel par circulation de frigorigènes dans des tuyaux intégrés.

Excavation

• Méthode des tubes immergés : Des sections en acier ou béton armé sont fabriquées à terre, flottées sur le site, ancrées et immergées dans une tranchée pré-excavée, puis connectées avec des joints en caoutchouc.
• Tranchée couverte : Une tranchée est excavée, un tunnel en caisson est coulé sur place, et la tranchée est ensuite remblayée. Dans les sols sensibles, des palplanches ou des parois moulées pré-supportent la tranchée.
• Descendant : Des parois parallèles sont construites d'abord, puis la dalle de toit est coulée et curée. L'excavation se poursuit sous le toit, avec une membrane étanche protégeant l'enveloppe finie.
• Forage et minage : Des trous sont forés selon un motif, des charges de dynamite sont placées, et des tirs contrôlés fracturent la roche. La circulation d'air évacue poussières et gaz, et des perforateurs pneumatiques finissent la surface.
• Bouclier/Greathead : Un bouclier avance incrémentalement, les ouvriers excavant devant puis poussant le bouclier en avant à l'aide de vérins. Des anneaux de revêtement permanent sont installés immédiatement après le déplacement du bouclier.
• Dérive parallèle : Le microtunnelier crée des dérives horizontales, qui sont ensuite injectées ou revêtues pour former une arche protectrice autour du tracé principal du tunnel.
• Tunnelier (TBM) : Une machine sur mesure avec une tête de coupe rotative broie la roche ou le sol, avançant avec l'aide de vérins ou de bras de préhension. Les déblais sont évacués par convoyeur, tandis que la bentonite est pompée pour lubrifier le front. Certains TBM installent des segments de revêtement ou utilisent la méthode autrichienne (NATM) pour le soutien préliminaire.

Revêtement final

• Pendant l'excavation, les TBM peuvent installer des segments de revêtement ou des tunnels préfabriqués sont poussés en place par vérins.
• Après excavation, un revêtement en béton armé peut être coulé sur place en utilisant le glissement de banche — déplaçant un coffrage continuellement pendant que le béton durcit.
• Alternativement, des segments en béton ou acier préfabriqués sont boulonnés en anneau, puis injectés.
• Le béton projeté peut être pulvérisé sur plusieurs pouces d'épaisseur, optionnellement renforcé de treillis métallique ou de fibres pour une résistance accrue.

Sous-produits/Déchets

Le matériau excavé est soit éliminé en décharge, soit réutilisé — formant la couche de base pour les routes d'accès, créant des remblais, ou servant de matériel de contrôle d'érosion.

Contrôle qualité

Maintenir la stabilité du terrain, l'intégrité structurelle et l'alignement précis est critique. Les capteurs GPS fournissent des données de positionnement par satellite, tandis que les systèmes de guidage laser projettent et détectent des faisceaux pour assurer des trajectoires d'excavation précises.

L'avenir

Les avancées en exploration, matériaux et machinerie promettent des améliorations significatives. L'imagerie sonar génère maintenant des scanners CAT virtuels des tracés de tunnels, réduisant le besoin de carottages. La recherche se concentre sur les outils de coupe haute performance, le béton auto-régulant et les agents modificateurs de sol. Les TBM de pointe peuvent forer plusieurs tunnels simultanément ou négocier des virages jusqu'à 90° en coupant, et la télécommande réduit l'exposition des ouvriers sous terre.

Projets notables

Le Tunnel sous la Manche, achevé en 1994 pour un coût de 13 milliards de dollars, relie l'Angleterre et la France. Les deux tunnels ferroviaires et le tunnel de service font chacun 50 km de long et sont en moyenne à 46 m sous le fond marin. Le service ferroviaire passagers et le transport de véhicules réduisent maintenant le trajet Londres-Paris de cinq heures par mer à trois heures par le tunnel.

Le Tunnel Seikan, ouvert en 1988, s'étend sur 53 km sous le détroit de Tsugaru, en faisant le plus long tunnel sous-marin du monde. Il se situe à 100 m sous le fond marin, traversant un détroit profond jusqu'à 140 m.