Tunnelier

Les tunneliers sont apparus au XIX^e 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]}. À la suite de cet échec, il faudra attendre un siècle avant que les tunneliers ne s'attaquent de nouveau aux roches dures^[1].

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 kilomètre chacun dans la craie des deux côtés 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. À la suite de 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 XX^e siècle^[1].

En 1952, l’ingénieur James Robbins fut chargé d'adapter les méthodes utilisées par l'industrie minière à la construction d'un tunnel de dérivation pour le barrage d'Oahe, au Dakota du Sud. Il conçut pour ce 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 permit le forage de la ligne A du RER parisien en 1964^{[Note 2]}. Cette même année, l’ingénieur anglais John Bartlett brevetait le premier tunnelier à front pressurisé par pression de boue^[2], qui fut testé avec succès en 1971. 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^[3],[4].

Depuis les années 1990, les progrès techniques ont permis trois innovations majeures :

• l'élargissement du diamètre des tunneliers, une tendance amorcée en 1994 avec la construction au Japon 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 ;
• l'apparition de tunneliers spécialisés, tels que les micro-tunneliers ou les tunneliers verticaux, permise par l'automatisation, qui démocratise leur emploi.

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:

• Différentes roues de coupes pour différents terrains
• 
  Roche dure.
• 
  Roche tendre.
• 
  Roche mixte.

La tête d'abattage est l’extrémité avant 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 moyen 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.

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, cintrage 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 maintien 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.

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 (tassements). Plusieurs techniques de confinement permettent alors de pressuriser l'espace entre le front de taille et le bouclier d'un tunnelier^[5] :

• Pression de terre (Earth pressure balance (en)). 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 peut être assurée par l'injection d'air comprimé 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.

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).

La propulsion d'un tunnelier est assurée par des vérins hydrauliques qui prennent appui, 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 qu'elle creuse 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.

L'orientation du tunnelier est imprimée par la largeur des voussoirs du dernier anneau posé, sur lequel le tunnelier s'appuie pour progresser. Si tous les voussoirs de cet anneau sont de la même largeur, alors le tunnelier continue de percer tout droit. Si par contre on souhaite avoir une courbure dans le percement, on met alors des voussoirs de largeurs différentes, les plus minces à l'intérieur du rayon de la courbure désirée et les plus larges à l'extérieur de ce même rayon.

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.

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  Début du train suiveur, l’extrémité de la vis d’Archimède est visible.
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  Alimentation (eau, électricité), aération et bande transporteuse.
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  Véhicule de transport des voussoirs.

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 divergeant dans lequel il est abandonné mais, dans la majeure partie des cas, il est récupéré (démontage dans le tunnel).