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génie civil52 kilomètres de tunnel sous les Alpesgénie civil - 01/11/2007 par Gilles Bridier dans mensuel n°413 à la page 56 (2164 mots) | Gratuit
Huit à dix ans de travaux seront nécessaires pour percer le tunnel de la nouvelle liaison Lyon-Turin. Avant de s'attaquer à ce chantier titanesque, les géologues devaient impérativement améliorer leur connaissance du sous-sol.
Le futur tunnel franco-italien de la liaison Lyon-Turin, creusé entre Saint-Jean-de- Maurienne en France et le val de Suse en Italie, sera, comme le tunnel sous la Manche, exclusivement ferroviaire. Les véhicules routiers devront emprunter des navettes. Il sera creusé sur près de 52 kilomètres et jusqu'à 2 000 mètres sous terre.
Avant d'entreprendre un tel projet, il était nécessaire de connaître au mieux la structure, la géologie et
l'hydrogéologie des zones qui seront traversées. Pour un projet de cette envergure, il n'est pas anormal que les ingénieurs soient confrontés, lorsqu'ils entament les études, à une incertitude de 50 % sur la composition du sous-sol, compte tenu de la complexité des paramètres géotechniques diversité de la nature des roches, rivières souterraines... et environnementaux risques d'affaissement, de détournement de sources.... L'objectif consiste à réduire le niveau de risque à environ 30 % en améliorant la connaissance des terrains dans le cadre des études préliminaires, et à ramener ce degré d'incertitude à 15 % à l'issue de la phase de reconnaissance. Dans le cas du tunnel Lyon-Turin, pour réaliser l'avant-projet de référence engagé à la mi-2004, plusieurs dizaines d'ingénieurs et de géologues ont travaillé pendant un an et demi uniquement sur les aspects géologiques et géotechniques du projet.
Une première approche a été réalisée selon des méthodes empiriques : cartes du BRGM, études réalisées par EDF... et documents bibliographiques sur les couches alpines rassemblés par les universités de Savoie et de Grenoble. Mais la géologie de surface ne permet pas d'appréhender la totalité du sous-sol aux grandes profondeurs.
Forages dirigés Pour affiner les prévisions de contraintes naturelles, on a procédé à des sondages. Entre Saint-Jean-de-Maurienne et Bruzolo, en Italie, plus de 150 forages miniers traditionnels, à la verticale, ont ainsi été réalisés, pour des longueurs allant de 50 à 1 600 mètres. Soit un total de 55 kilomètres si tous les forages étaient mis bout à bout. Mais les méthodes géotechniques traditionnelles ne sont pas adaptées à des forages au-delà de quelques centaines de mètres, à cause des outils utilisés et des difficultés d'interprétation. Et les méthodes sismiques, efficaces pour des investigations de surface dans des domaines géologiques simples, sont inapplicables dans un contexte complexe et pour de grandes profondeurs. Or, le sous-sol des Alpes est très hétérogène, avec des massifs composés de roches métamorphiques * , et de nombreux plissements, chevauchements et glissements de terrain [1] . Les équipes en place ont donc réalisé une « première ». Elles ont adapté à des objectifs miniers des techniques provenant de l'exploration pétrolière : la technique des « forages dirigés » [2] . L'un de ces forages, à Avrieux 1 300 mètres d'altitude, fut engagé avec une inclinaison de 45 ° pour devenir progressivement horizontal avec une pente maximale de 1,5 ° par 10 mètres, et se poursuivre ainsi horizontalement pendant près de 1 000 mètres à la cote et dans l'axe du futur tunnel de base. Au total, pour ce sondage, la longueur finale a été de 1 822 mètres. Un autre forage, à Etache 2 000 mètres d'altitude, a démarré verticalement pour finir, lui aussi, à l'horizontale après la mise en oeuvre des mêmes techniques. La longueur de ce deuxième sondage dirigé est de 2 900 mètres, dont environ 1 000 mètres réalisés à l'horizontale. Les opérations de « carottage », destinées à disposer d'échantillons de roches, ont permis de remonter des cylindres de roches prélevées en profondeur. Ces « carottes » ont été ensuite analysées et testées en laboratoire. À l'occasion de ces sondages, des enregistrements en continu des variations de différents paramètres en fonction de la profondeur ont été réalisés : radioactivité naturelle, température et conductivité de l'eau. Ces enregistrements permettent de modéliser la nature des différentes roches traversées et d'établir des hypothèses sur la circulation de l'eau. L'enregistrement de la vitesse de propagation des ondes permet par ailleurs de déceler l'existence de fractures.
Les résultats révélés par ces forages dirigés ont été positifs : géologie plutôt favorable avec des terrains micaschistes * , dolomies * , calcaires et anhydrites * ayant des caractéristiques géotechniques et hydrogéologiques de nature à faciliter le percement. Peu de fracturations, peu ou pas d'eau et faible perméabilité : le mariage des cultures pétrolières et minières dans les forages a permis de lever de nombreuses incertitudes pour réduire le niveau de risque dans les secteurs concernés. Percement à l'explosif Pour améliorer la connaissance du sous-sol, trois galeries sont creusées côté français, à des endroits critiques pour faire émerger les problèmes dès la phase d'étude. Il s'agit des descenderies de Saint-Martin-de-La-Porte 2 280 mètres de longueur, La Praz 2 572 mètres et Modane-Villarodin-Bourget 4 000 mètres, pour une dénivellation de 360 mètres. À cause, comme à Modane, d'un profil en courbe des galeries et de la pente des descenderies de l'ordre de 12 %, la méthode du percement à l'explosif a été préférée à celle du tunnelier. Dans des conditions difficiles et avec une connaissance imparfaite de la géologie, le percement à l'explosif se révèle plus souple et plus sûr. En outre, un tunnelier est efficace pour un percement en ligne droite, mais il risque de rester coincé dans un tracé en pente et en courbe.
La descenderie de Modane, située à peu près au milieu du tunnel de base, est la plus importante des trois. Le front de taille a une surface comprise entre 60 et 85 mètres carrés, et est percé de 100 à 120 trous dans lesquels les charges sont disposées. Le percement des trous est assuré par un énorme engin à 3 bras pilotés par informatique et équipés à leur extrémité d'un outil constitué de picots en carbure de tungstène fixés dans une matrice en acier, pour attaquer toutes les sortes de roches, même les plus abrasives.
Pour l'explosion, les équipes ont recours à une technologie récente d'explosif « pompé », déjà expérimentée dans le percement de tunnels en Suisse au Lötschberg et en France aux Grands Goulets, dans la Drôme. Cette technique met en oeuvre plusieurs produits chimiques nitrates d'ammonium et de sodium ou de calcium qui, individuellement, sont inertes. Ils sont injectés dans les trous par un dispositif de pompes qui crée une émulsion directement au fond de ces trous. Après environ cinq minutes, celle-ci devient explosive. Elle ne le reste qu'une vingtaine de minutes.
Au-delà, compte tenu des caractéristiques chimiques des produits, l'émulsion perd son explosivité. Un détonateur électrique connecté à l'une des charges permet de déclencher l'explosion de l'ensemble. À raison d'une explosion - parfois deux - par jour, la progression est en moyenne de 7,5 mètres par 24 heures. Ce qui a permis d'achever cet automne le creusement de la descenderie de Modane. Grâce à ce chantier, de nombreuses informations sur les conditions du percement du tunnel lui-même ont été accumulées.
Galeries de reconnaissance Après avoir joué leur rôle au titre de la reconnaissance des terrains, ces descenderies doivent servir de voies d'accès aux matériels qui permettront de creuser les « tubes » du tunnel de base. Toutefois, avant le percement de ce dernier, dont la pente n'excédera pas 12,5 contre 33 pour la liaison historique, des galeries horizontales de 5 à 6 mètres de large seront creusées sur son tracé pour parfaire le travail de reconnaissance. Côté italien, une autre galerie de reconnaissance devrait être creusée horizontalement depuis le Val de Suse sur près de 8 800 mètres, parallèle au tracé du tunnel de base. Toutefois, compte tenu du débat sur le tracé de la ligne nouvelle en Italie, le tracé sur cette partie de la liaison pourrait connaître des modifications.
La structure géologique de certaines couches peut contrarier la progression des équipes de génie civil. Dans la descenderie de Saint-Martin-de-La-Porte, les ingénieurs ont constaté que le diamètre de l'excavation de 11 mètres au départ n'était plus que de 9 mètres quelques semaines après le creusement. Ce phénomène, appelé convergence, est lié aux mauvaises caractéristiques des roches et aux forces qui s'appliquent sur la voûte et les parois d'un tunnel. L