Tunnelier

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Tunnelier utilisé pour creuser le Mont Yucca (Nevada), lors de son aménagement pour le stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde

Un tunnelier est une machine permettant d'excaver des tunnels de section circulaire dans des sols et des roches variées allant du sable au granite. Le diamètre des tunnels percés est compris actuellement entre un et 19,25 mètres. Pour les percements d’un diamètre inférieur à 1,5 ou 2 mètres ces machines sont appelées microtunneliers.

Le tunnelier est utilisé comme alternative à l'excavation par abattage manuel, mécanique ou à l'explosif. Il a comme avantage de limiter les perturbations dans la roche environnante et de produire une paroi de tunnel lisse. Ces facteurs le rendent particulièrement adapté aux zones fortement urbanisées et réduit significativement les coûts de l'habillage des parois. Le principal désavantage du tunnelier est son coût initial important de construction et de transport. Cependant, il devient compétitif pour les tunnels longs (plus de 1,5 km) car il creuse plus rapidement que l'abattage classique.

Histoire[modifier | modifier le code]

Schéma du bouclier utilisé pour creuser le tunnel sous la Tamise (1825).

Les tunneliers sont apparus au XIXe siècle avec la révolution industrielle. Le premier bouclier de tunnelage a été breveté en 1818 puis utilisé en 1825 par Marc Isambart Brunel pour la construction du tunnel sous la Tamise. Cependant il ne s'agissait pas d'un tunnelier au sens contemporain du terme car l'abattage de la roche restait manuel.

La première machine de tunnelage construite fut le Mountain Slicer, commandée par le Roi de Sardaigne en 1845 pour percer le tunnel ferroviaire du Fréjus entre la France et l'Italie. Assemblée l’année suivante, la création de l’ingénieur belge Henri Maus, consistait en une centaine de perforateurs pneumatiques montés devant une locomotive. Pendant deux ans la machine fut testée avec succès mais les révolutions de 1848 affectèrent les financements et le tunnel ne sera complété que dix ans plus tard et par des techniques moins onéreuses.

En 1853 aux États-Unis, le premier tunnelier à roche dure, nommé Wilson's Patented Stone-Cutting Machine du nom de son inventeur Charles Wilson, fut testée durant la construction du tunnel du Hoosac. La machine de Wilson préfigurait les tunneliers modernes car elle utilisait des molettes de coupe attachées à une tête rotative. Cependant cette machine à vapeur se révéla trop peu puissante pour poursuivre sa tache après seulement 3 mètres dans le granite[Note 1]. Suite à cet échec, il faudra attendre un siècle avant que les tunneliers ne s'attaquent de nouveau aux roches dures[1].

Plan de la machine de Beaumont-English (1880).

Le premier tunnelier réellement opérationnel fut inventé en 1875 par Frederick Beaumont puis amélioré en 1880 par Thomas English. Entre juin 1882 et mars 1883, deux « machines de Beaumont-English » percèrent des tunnels pilotes de 1,8 kilomètres chacun dans la craie des deux cotés de la Manche avant que le projet d'un tunnel entre la France et l'Angleterre ne soit abandonné pour des raisons militaires. Le tunnelier sera réutilisé pour creuser un tunnel de ventilation de 2 km entre Birkenhead et Liverpool. Suite à ces succès, la technologie continua de se développer dans les années suivantes, mais les tunneliers s’avérant coûteux et incapables de creuser les roches dures, l’intérêt déclina. C'est dans les mines de charbon et de potasse, ou la roche est plus meuble, que la technologie survivra jusqu'au milieu du XXe siècle[1].

En 1952, l’ingénieur James Robbins fut chargé d'adapter les méthodes utilisés par l'industrie minière à la construction d'un tunnel de dérivation pour le barrage d'Oahe, au Dakota du Sud. Il conçu pour se faire le premier tunnelier moderne, une machine de 125 tonnes équipé d'une large roue de coupe (7,8 mètres) surmontée de molettes et de dents capable d'excaver 48 mètres de schiste par jour. Trois ans plus tard il fonda la compagnie qui porte son nom et assembla le premier tunnelier à roche dure, n'utilisant plus que des molettes, pour creuser un tunnel d’égout à Toronto. The Robbins Company inventa ensuite le premier tunnelier à front pressurisé (par air comprimé) qui permis le forage de la ligne A du RER parisien en 1964[Note 2]. En 1972, le premier tunnelier à double jupe fut développé en collaboration avec Robbins fils et employé pour construire un tunnel à la centrale d'Orichella en Italie, dans du granite fracturé. Ce type de tunnelier démontrera toute son efficacité avec le creusement du tunnel sous la Manche à la fin des années 1980[2],[3].

Depuis les années 1990, les progrès techniques ont permis trois innovations majeures: l'élargissement du diamètre des tunneliers, une tendance amorcé en 1994 avec la construction de la Tokyo Wan Aqua-Line (14,1 mètres de diamètre); le développement de tunneliers adaptés à plusieurs géologies qui permet de réduire le nombre de tunneliers différents nécessaires sur un chantier; et l'apparition de micro-tunneliers, permise par l'automatisation, qui démocratise leur emploi.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Un tunnelier assure plusieurs fonctions :

  • l'abattage de la roche en face de lui (le front de taille) ;
  • l'évacuation des déblais ;
  • la mise en place éventuelle d'un soutènement.

Pour réaliser ces différentes fonctions, le tunnelier est muni d'équipements spécialisés:

La tête d'abattage[modifier | modifier le code]

Molettes usées d'une roue de coupe.

La tête d'abattage est l’extrémité du tunnelier. Le plus souvent c'est une roue de coupe tournante qui, pressée contre le front de taille, assure l'abattage de la roche au moyens d'outils qui y sont fixés. Pour les roches dures ces outils sont des molettes qui en tournant creusent des sillons fragilisant la roche jusqu'à sa rupture. Pour les roches tendres ce sont des dents et des couteaux qui raclent le front de taille.

De plus petits tunneliers peuvent employer un bras excavateur, moins coûteux qu'une roue de coupe. Les tunneliers utilisés pour démonter le soutènement de tunnels existants sont eux aussi munis d'un bras articulé de démolition.

Le bouclier[modifier | modifier le code]

Quand la roche dans laquelle le tunnel est creusé est imperméable et résistante (basalte, granite, gneiss), elle assure seule le soutènement des parois. La tête du tunnelier n'a pas besoin de protection. Parfois sa partie supérieure est tout de même protégée des éboulements par une casquette et un soutènement primaire de la paroi est mis en place (boulonnage, ceintrage ou béton projeté).

Quand un tunnelier creuse de la roche imperméable mais tendre ou fracturée, des anneaux voussoirs doivent être placés pour soutenir les parois du tunnel. Aussi, entre la roue de coupe et le système d’érection de ces voussoirs, le corps du tunnelier doit assurer le maintient de la roche. Dans un tel cas, cette partie de la machine est appelée « bouclier ». Le bouclier se compose du bouclier avant, isolant la roue de coupe, et de la jupe, protégeant les équipements et les travailleurs.

Tunnelier à front pressurisé[modifier | modifier le code]

Pour creuser dans des roches solides il n'est pas nécessaire de stabiliser le front de taille, mais pour creuser dans des terrains instables ou sous des nappes phréatiques il est nécessaire de compenser la pression exercée sur la roue de coupe de la machine pour éviter l'infiltration d'eau et l'affaissement des terrains en surface (subsidence). Plusieurs techniques de confinement permettent alors de pressuriser l'espace entre le front de taille et le bouclier d'un tunnelier[4] :

  • Pression de terre (Earth Pressure Balance). La pression de confinement peut être assurée directement par la roche excavée dont la quantité en avant du tunnelier est régulée par le système d'extraction. Ce type de tunnelier est adapté à des sols meubles peu perméables (argile, limon) ;
  • Pression d'air. La pression peu être assurée par l'injection d'air comprimée à condition que le terrain soit peu perméable ;
  • Pression de boue (Slurry Shield). Dans les terrains très perméables et peu denses (sable, gravier), la pression peut être assurée par une boue formée d'un mélange d'eau et de bentonite. Cette boue peu perméable améliore la stabilité du front de taille, facilite le transport du déblais en l’empêchant de décanter et lubrifie la jupe du tunnelier.

Les opérateurs devant entretenir la roue de coupe sont soumis à des pressions élevées et doivent passer par un sas de décompression pour pouvoir y accéder.

Le système d'extraction[modifier | modifier le code]

Crampon appuyant contre la paroi du tunnel.

Si la roche est suffisamment dure, son évacuation se fait par des godets attachés en périphérie de la roue de coupe qui la lèvent et la déversent sur une bande transporteuse.

Si le tunnelier est équipé d'un bouclier, l'espace qui sépare ce dernier de la roue de coupe est appelé « chambre d'abattage ». Des ouvertures dans la roue de coupe concentrent les matériaux abattus dans cet espace. Suivant la nature des déblais, ils sont évacués de la chambre d'abattage par une vis d’Archimède ou par des pompes après avoir été mélangés à de la boue bentonite (tunnelier à pression de boue).

Le système de propulsion[modifier | modifier le code]

La propulsion d'un tunnelier est assurée par des vérins hydrauliques qui prennent appuis, soit sur la paroi du tunnel via des crampons (appui radial) quand la roche est suffisamment dure, soit sur le soutènement du tunnel déjà mis en place (appui longitudinal).

La progression d'un tunnelier se fait en deux temps. Dans un premier temps, les vérins de poussée pressent la roue de coupe contre le front de taille pour la faire creuser la roche. Dans un deuxième temps, le creusement cesse et les vérins se rétractent pour permettre l’avancée des crampons ou la pose de nouveaux voussoirs.

Certains tunneliers sont à double jupe, ce qui leur permet d'être plus rapides. Une jupe est télescopique par rapport à l'autre ce qui permet la pose de voussoirs pendant la phase de creusement.

Le train suiveur[modifier | modifier le code]

Un tunnelier est une usine de plusieurs dizaines de mètres de longueur.

Lorsqu'un tunnelier a fini de creuser son tunnel, il peut creuser un court tunnel divergent dans lequel il est abandonné mais, dans la majeure partie des cas, il est récupéré (démontage dans le tunnel).

Exemples[modifier | modifier le code]

Quelque uns des plus longs tunnels du monde ont été creusés grâce à des tunneliers. La réalisation du tunnel sous la Manche (50 km) a nécessité l'action de 11 tunneliers différents qui ensembles ont forés 148 km de galeries de 1987 à 1991. Les 152 km de galeries du tunnel de base du Saint-Gothard (57 km) ont été en majeure partie creusés par quatre tunneliers à roche dure entre 2003 et 2011[5].

C'est surtout pour la construction des lignes de métro que le tunnelier s'est imposé comme outil de choix car il est rapide, évite d'avoir recours à des tranchées et limite la subsidence et les vibrations. Le tunnel de la première ligne Crossrail, traversant Londres, a ainsi été construit en deux ans par huit tunneliers creusant jusqu’à 72 mètres par jour[6]. La construction des trois lignes du métro de Doha a vu l'utilisation simultanée de 21 tunneliers[7]. La ligne 15 du métro de Paris, nécessitera quand à elle pas moins de dix tunneliers pour creuser sa section sud, longue de 33 km[8].

Tunneliers géants[modifier | modifier le code]

Les tunneliers les plus spectaculaires sont souvent médiatisés à l’occasion des grands projets de génie civil, principalement dans le domaine des transports. Leur diamètre, qui dépasse les 14 mètres, permet de superposer les voies de circulation dans un seul tunnel.

Tunneliers géants[9]
Nom Fabricant Diamètre Années

actives

Distance

creusée

Projet Commentaires
Tunneliers à roche dure
Big Becky Robbins 14,4 m 2006-2011 10,4 km Drapeau du Canada Tunnel Beck Conduite forcée[10].
Tunneliers à boucliers
Herrenknecht 17,6 m 2015- 4,2 km Drapeau de Hong Kong Tunnel Tuen Mun - Chek Lap Kok Autoroute. Tunnelier à pression de terre[11].
Bertha Hitachi Zosen 17,4 m 2013-2017 2,8 km Drapeau des États-Unis Tunnel Alaskan Way Autoroute. Tunnelier à pression de terre.
Mitsubishi/IHI 16,1 m 2017- 9 km Drapeau du Japon Autoroute Tokyo Gaikan Section ouest. 4 tunneliers[12].
Herrenknecht 15,8 m 2016- 7,5 km Drapeau de l'Italie Tunnel Santa Lucia Autoroute. Tunnelier à pression de terre.
NFM 14,8 m 2000-2004 7,1 km Drapeau des Pays-Bas Tunnel Groene Hart LGV. Tunnelier à pression de boue.

Les plus grands tunneliers d'Europe ont été utilisés en Italie. Pour la construction du tunnel autoroutier Sparvo, sur l'autoroute Variante di Valico dans les Apennins, l'entreprise TOTO Costruzioni Generali a commandée ce qui était alors le plus grand tunnelier jamais construit. Ce tunnelier baptisé « Martina », mis en service en décembre 2010, coûta 53 millions d'euros. Les caractéristiques de cette machine, fabriquée à Schwanau (Allemagne) par la société Herrenknecht, étaient gigantesques : diamètre de forage 15,62 m, longueur de 130 m, poussée sur la tête de forage de 39 485 tonnes, poids total de 4 500 tonnes et puissance installée de 18 MW. Depuis 2016, ce record a été battu de peu par une nouvelle machine construite par Herrenknecht. Large de 15,87 m, pesant 4 800 tonnes, ce tunnelier creuse actuellement le tunnel autoroutier Santa Lucia[13].

Ailleurs dans le monde, le premier tunnelier à dépasser 15 mètres a été utilisé pour réaliser le Tunnel de Shanghai sous le Yangzi Jiang en 2006. En 2013, le tunnelier « Bertha » dépasse les 17 mètres de diamètre sur le chantier du tunnel autoroutier de remplacement du Alaskan Way Viaduct à Seattle.

Microtunneliers[modifier | modifier le code]

Un tunnelier peut être mis en œuvre pour la réalisation d'un réseau d’adduction d’eau, pour des égouts, l’enfouissement des lignes électriques à très haute tension… Ces types de réalisation ont des diamètres plus modestes.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Note[modifier | modifier le code]

  1. Wilson améliorera sa machine en 1875 pour en faire un trépan permettant de creuser un trou annulaire dans la roche afin d'en faciliter l'abattage par explosif.
  2. Creuser dans les sols saturés d'eau de Paris s'était avéré impossible pour le tunnelier de Campenon Bernard lancé en grande pompe en 1962 et la RATP a du faire appel à la compagnie américaine.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Maldi 2008, p. 1-14
  2. (en) « Hard-Rock Tunnel Boring Machines », Tunnel Business Magazine,‎ (lire en ligne)
  3. (en) « Robbins celebrates 60 years of achievement », sur www.tunneltalk.com, (consulté le 14 novembre 2017)
  4. « Tunnels au bouclier en terrain meuble », sur Encyclopædia Universalis (consulté le 14 novembre 2017)
  5. (en) « Gotthard Base Tunnel », sur www.herrenknecht.com, (consulté le 14 novembre 2017)
  6. (en) « Meet our giant tunnelling machines », sur www.crossrail.co.uk (consulté le 14 novembre 2017)
  7. (en) Kim Kemp, « Qatar Rail TBMs entered into Guinness Records », sur www.constructionweekonline.com, (consulté le 15 novembre 2017)
  8. Jean-Gabriel Bontinck, « Ile-de-France : les tunneliers du futur métro porteront des noms d’écoles », leparisien.fr,‎ (lire en ligne)
  9. (en) « Mega TBMs », sur www.tunneltalk.com (consulté le 13 novembre 2017)
  10. (en) John Spears, « Massive boring machine ‘Big Becky’ emerges from under Niagara Falls », The Toronto Star,‎ (lire en ligne)
  11. (en) « Tuen Mun – Chek Lap Kok Tunnel », sur www.bouygues-tp.com (consulté le 13 novembre 2017)
  12. (en) Sharon Wilson, « Mega TBMs begin Tokyo ring road drives », sur www.tunneltalk.com, (consulté le 20 novembre 2017)
  13. (en) « Mega-EPBM for Italian highway tunnel », sur www.tunneltalk.com, (consulté le 14 novembre 2017)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Patrick Le Frapper, Les tunneliers, École nationale des ponts et chaussées, , 26 p. (lire en ligne). 
  • (en) Jacob Paskins, Paris under construction: building sites and urban transformation in the 1960s, Routledge, , 234 p. (ISBN 1138939994, lire en ligne). 
  • (en) Bernhard Maldi, Hardrock Tunnel Boring Machines, Ernst & Sohn, , 356 p. (ISBN 3433016763, lire en ligne). 

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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Liens externes[modifier | modifier le code]