Comment construire un tunnel

Les tunnels étaient construits à l'origine en tant que partie d'un système d'approvisionnement et de traitement des eaux, depuis l'Empire romain. Leur premier emploi en tant que moyen de transport date du XVIIe siècle dans un système de canaux. Avec le développement des chemins de fer au XIXe siècle et de l'automobile au XXe siècle, les tunnels sont devenus plus longs et plus complexes. Les méthodes les plus répandues pour construire un tunnel consistent à creuser une tranchée et à la recouvrir, à immerger un tube ou à utiliser une machine de forage de tunnel.

Partie 1

Partie 1 sur 4:

Les facteurs à prendre en compte pour construire un tunnel

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Réfléchissez à l'emplacement du tunnel. Le lieu choisi pour le tunnel va déterminer les outils et les techniques nécessaires à sa construction et à la préparation pour l'utilisation du tunnel. Les tunnels peuvent être rangés en trois catégories.
- Les tunnels dans les sols mous. Ces tunnels demandent un soutien à l'entrée pour éviter qu'il s'effondre. Ces tunnels sont généralement peu profonds et on les utilise pour les métros, l'approvisionnement en eau et l'évacuation des eaux.
- Les tunnels dans la pierre. Puisqu'ils sont creusés directement dans le roc, ces tunnels demandent peu de soutien, si ce n'est aucun. Les tunnels pour les voitures et les trains sont généralement de ce type.
- Les tunnels sous l'eau. Comme leur nom l'indique, ces tunnels passent sous les rivières, les lacs, les canaux et dans le cas du tunnel sous la Manche, directement sous la mer. Ce sont les tunnels les plus difficiles à construire, car il faut éviter que l'eau entre dans le tunnel pendant et après sa construction ^{[1]
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- La construction d'un tunnel sous une ville pose des problèmes similaires à celle d'un tunnel sous l'eau, car le sol a tendance à s'affaisser sous le poids des bâtiments qui se trouvent au-dessus. Les connaissances en géologie du site permettent de prédire l'ampleur de cet affaissement et de suggérer des méthodes pour le réduire.
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Réfléchissez au tracé du tunnel. Un tunnel avec un tracé long, simple et droit est facile à creuser avec une machine de forage. Les tunnels différents de ce schéma présentent des problèmes qui rendent leur construction plus compliquée.
- Les tunnels courts ne sont pas construits avec une machine à forer, car cela ne serait pas rentable.
- Les tunnels qui demandent des diamètres de forage différents sur leur tracé ne sont généralement pas construits avec une machine de forage à cause du délai qu'implique l'ajustement du diamètre de la tête de forage.
- On n'utilise pas non plus de machine de forage de tunnel si celui-ci présente des virages aigus ou des intersections.
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Réfléchissez au but du tunnel. L'utilisation que vous allez faire du tunnel détermine le travail nécessaire en plus de la construction du tunnel avant de le mettre en service.
- Les tunnels qui permettent de transporter des passagers ont besoin d'une certaine forme de ventilation. Pour les tunnels qui abritent des routes, il faut des conduits d'aération pour éviter l'accumulation de dioxyde de carbone. Pour les tunnels ferroviaires, il faut des conduits d'aération pour éliminer les gaz d'échappement. Ces deux types d'installation permettent aussi d'évacuer la fumée qui pourrait s'accumuler dans le tunnel si un incendie venait à s'y déclarer.
- Les tunnels très fréquentés, comme le Big Dig de Boston, pourraient présenter des centres d'opérations avec un personnel dédié et de l'équipement vidéo pour surveiller le trafic dans le tunnel et gérer les urgences.
- Les longs tunnels automobiles comme le tunnel Eisenhower dans le Colorado doivent être éclairés pour facilement le passage des véhicules. D'autres tunnels automobiles comme ceux qu'on trouve dans le Zion National Park dans l'Utah peuvent présenter des ouvertures afin de laisser passer la lumière naturelle et de permettre aux passagers de voir le paysage qu'ils traversent.
- Certains tunnels, comme le Queensway Tunnel entre Liverpool et Birkenhead en Angleterre et le Lion Rock Tunnel entre Sha Tin et New Kowloon à Hong-Kong, combinent une plateforme supérieure pour le passage du trafic routier et une plateforme inférieure pour le passage de l'eau, de tuyaux ou de câbles. D'autres tunnels, comme le SMART Tunnel en Malaisie peuvent être utilisés pour le trafic ou pour contrôler des inondations ^{[2]
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Partie 2

Partie 2 sur 4:

Creuser et recouvrir la tranchée

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Creusez une tranchée. Vous allez creuser la zone où va se trouver le tunnel et le toit du tunnel sera créé et recouvert une fois qu'il aura été terminé. Ce genre de tunnel se construit de deux façons différentes :
- de bas en haut : on crée d'abord le soutien au sol avant de construire le tunnel autour
- de haut en bas : on construit les murs et le toit du tunnel au niveau du sol et la tranchée du tunnel est construite en dessous
- On utilise ces deux méthodes en premier lieu pour les tunnels peu profonds bien que la méthode de haut en bas permette de creuser des tunnels plus profonds qu'avec la méthode de bas en haut. Les tunnels plus profonds sont souvent construits en utilisant un bouclier de forage, une structure qui ressemble à une boite avec de petites ouvertures pour creuser le tunnel. Une fois que la terre devant le bouclier est retirée, on le déplace en avant et on continue de creuser ^{[3]
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Construisez les murs et le toit du tunnel. Les murs et le toit du tunnel peuvent être construits pendant le forage du tunnel ou pourraient être préfabriqués et mis en place au fur et mesure de la construction du tunnel. Voici les matériaux que l'on utilise souvent :
- des arcs ondulés en acier
- des arcs en béton préfabriqués
- des murs en béton préconstruits
- du béton coulé ou vaporisé (souvent utilisé en même temps que des arcs préfabriqués)
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Terminez le tunnel. Cela dépend de la méthode que vous avez utilisée.
- Les tunnels créés en suivant la méthode de bas en haut doivent être recouverts pour créer le toit et les surfaces qui doivent se trouver sur le dessus du tunnel sont alors construites ou reconstruites.
- Les tunnels créés en suivant la méthode de haut en bas sont creusés plus profondément, sous la base des murs et du toit avant de mettre en place une base qui sert de plancher au tunnel ^{[4]
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Partie 3

Partie 3 sur 4:

Utiliser des tubes immergés

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Draguez une tranchée à l'endroit où le tunnel va se trouver. Cette méthode est similaire à la méthode précédente, mais elle est utilisée pour creuser des tunnels sous l'eau. La tranchée doit être de la longueur qu'aura le tunnel une fois terminé.
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Posez une série de tubes en acier tout le long de la tranchée. Chaque tube doit être scellé à chaque extrémité avec une cloison. Si le tube sert au trafic routier, comme c'est le cas du tunnel Ted Williams de Boston, le tube est installé avec des routes préconstruites.
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Mettez suffisamment de remblai tout autour du tube pour supporter la pression de l'eau. Dans le cas du tunnel Ted Williams, ce remblai est constitué d'une couche de 1,5 m de rochers.
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Reliez les tubes en retirant les cloisons. Toutes les routes ou les chemins de fer construits entre les tubes doivent être connectés à ce moment-là ^{[5]
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Partie 4

Partie 4 sur 4:

Utiliser une machine de forage

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Choisissez la bonne machine de forage. Les machines de forage de tunnel qu'on appelle aussi des « taupes » sont constituées de plateaux circulaires sur le devant qu'on appelle des boucliers. Des appareils en forme de disque sur le bouclier permettent de creuser dans la roche et la terre qui traversent le bouclier en passant par des ouvertures avant de se retrouver sur un convoyeur à l'intérieur de la machine pour être expulsées par l'arrière.
- Les types de boucliers pour les machines de forage varient selon le terrain à creuser, par exemple de la terre molle et humide ou de la roche dure. Le diamètre des boucliers varie entre huit mètres pour ceux utilisés lors de la construction de la centrale électrique de Linth-Limmern en Suisse à 17,5 m sur la « grosse Bertha » d'Hitachi Zosen ^{[6]
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- Les machines de forage conçues pour creuser des tunnels sous l'eau présentent aussi des chambres sur l'avant pour appliquer une pression sur le sol qu'elles traversent.
- Pour des travaux plus importants, on peut aussi utiliser plusieurs machines de forage. Le tunnel sous la Manche en a demandé 11 ^{[7]
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Mettez la machine en position. Pour un tunnel au même niveau que la surface, cela ne présente pas de problème. Si le tunnel doit être creusé profondément dans le sol, on creuse généralement un couloir d'accès, souvent circulaire, avant de le recouvrir de béton. On fait ensuite descendre la machine à forage dedans et le tunnel est creusé à partir de ce point-là.
- Pour les tunnels plus longs, il est possible de creuser plusieurs couloirs d'accès.
- Lorsque le tunnel est terminé, ces couloirs d'accès deviennent des conduits d'aération ou des sorties de secours. S'ils sont inutiles, on les laisse tout simplement en place ^{[8]
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Construisez le système de soutien du tunnel pendant que la machine le creuse. On installe des segments de béton préconstruits derrière la machine à forage pour former un anneau à des intervalles prédéterminés ^{[9]
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Vaporisez du béton sur les murs du tunnel entre les anneaux de soutien. Le béton vaporisé permet de recouvrir et de stabiliser les murs du tunnel. Il contient des fibres d'acier ou de polypropylène qui le renforcent, un peu comme les barres d'acier renforcent le béton armé ^{[10]
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Source de recherche}. Il pourrait aussi contenir un accélérant qui lui permet de coller aux murs du tunnel et de sécher rapidement ^{[11]
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Conseils

Les premiers tunnels étaient creusés dans la roche en faisant des trous et en utilisant des explosifs, d'abord de la poudre à canon, puis de la dynamite. On installait des soutiens temporaires en bois avant de les remplacer par des briques et du ciment. Les tunnels plus tardifs utilisaient des anneaux segmentés en fonte vissés les uns aux autres à la place du bois et du ciment ^{[12]
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Il est aussi possible de creuser des tunnels dans la terre molle en utilisant des vérins pour pousser des tubes, des tuyaux ou des excavateurs en forme de boite avec une tête de forage. Les tunnels creusés avec des tuyaux ont tendance à être plus étroits, pas plus de trois mètres de diamètre tandis que ceux creusés avec les excavateurs peuvent atteindre un diamètre de 20 mètres ^{[13]
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