Les tunnels ont été construits à l'origine dans le cadre des systèmes de distribution d'eau et d'égouts, remontant à l'époque de l'Empire romain. Leur première utilisation pour le transport était dans le cadre des systèmes de canaux au 17ème siècle. Avec le développement des chemins de fer au XIXe siècle et de l'automobile au XXe, les tunnels sont devenus plus longs et plus complexes. Les méthodes les plus courantes pour la construction de tunnels sont la méthode de coupe et de couverture, la méthode du tube immergé ou l'utilisation d'un tunnelier.
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Partie 1 sur 4: Facteurs à considérer dans la construction d'un tunnel
Étape 1. Considérez où le tunnel sera construit
L'emplacement du tunnel proposé déterminera quels outils et techniques sont nécessaires pour le construire et le préparer à son utilisation prévue. Les tunnels peuvent être divisés en 3 types:
- Tunnels en terrain meuble. Ces tunnels nécessitent un support au niveau des ouvertures pour empêcher le tunnel de s'effondrer. Ces tunnels sont généralement peu profonds et utilisés pour les métros, la distribution d'eau et les systèmes d'évacuation des eaux usées.
- Tunnels rocheux. Parce qu'ils sont creusés dans la roche solide, ces tunnels nécessitent peu ou pas de support supplémentaire. Les tunnels ferroviaires et automobiles sont généralement de cette variété.
- Tunnels sous-marins. Comme leur nom l'indique, ces tunnels passent sous des rivières, des lacs, des canaux et dans le cas du « Chunnel », des détroits comme la Manche. Ce sont les tunnels les plus difficiles à construire, car l'eau doit être maintenue à l'écart du tunnel pendant et après la construction.
- La construction d'un tunnel sous une ville pose des problèmes similaires à un tunnel sous-marin, dans la mesure où le sol autour du tunnel a tendance à s'affaisser sous le poids des bâtiments au-dessus. Une connaissance de la géologie de la région aide à prédire à quel point le sol va s'affaisser et suggère quelles méthodes peuvent minimiser l'affaissement.
Étape 2. Considérez le chemin du tunnel
Un tunnel avec un long chemin simple et droit est relativement facile à creuser avec un tunnelier. Les tunnels qui diffèrent de cette conception présentent des problèmes qui rendent leur construction plus complexe.
- Les tunnels courts ne sont pas percés avec des tunneliers car ce n'est pas rentable de le faire.
- Les tunnels qui nécessitent des diamètres de forage différents à différentes parties de leur tracé rendent également l'utilisation d'un tunnelier peu pratique en raison des retards dans l'ajustement du diamètre du forage.
- Les tunnels qui prennent des virages serrés ou qui ont des puits qui se croisent rendent également l'utilisation d'une machine de forage peu pratique.
Étape 3. Considérez le but du tunnel
L'utilisation du tunnel détermine les travaux supplémentaires nécessaires à la réalisation du tunnel lui-même avant sa mise en service.
- Les tunnels qui transportent des passagers nécessitent une certaine forme de ventilation. Pour les tunnels routiers, cela signifie généralement des puits de ventilation pour empêcher l'accumulation de monoxyde de carbone. Pour les tunnels ferroviaires, cela peut signifier une ventilation à air pulsé pour éliminer les gaz d'échappement des moteurs diesel. Les deux disposent de méthodes supplémentaires pour traiter la fumée créée en cas d'incendie dans le tunnel.
- Les tunnels très fréquentés, comme le Big Dig à Boston, peuvent comporter des centres d'opérations occupés en permanence avec un équipement vidéo pour surveiller le trafic dans le tunnel et faire face aux urgences.
- Les longs tunnels routiers, tels que le tunnel Eisenhower dans le Colorado, peuvent être éclairés par des plafonniers pour la commodité des conducteurs et des passagers. D'autres tunnels routiers, tels que ceux du parc national de Zion dans l'Utah, peuvent comporter des découpes panoramiques pour permettre à la lumière naturelle d'entrer dans le tunnel par endroits et offrir aux passagers un aperçu du paysage environnant.
- Certains tunnels, tels que le tunnel Queensway entre Liverpool et Birkenhead, en Angleterre et le tunnel Lion Rock entre Sha Tin et New Kowloon à Hong Kong, combinent un pont supérieur pour le trafic passagers avec un pont inférieur pour l'eau, les tuyaux ou les câbles. D'autres tunnels, tels que le tunnel SMART de Malaisie, peuvent être utilisés pour le contrôle du trafic ou des inondations.
Partie 2 sur 4: Utilisation de la méthode couper et couvrir
Étape 1. Creusez une tranchée
La zone où se trouvera le tunnel est entièrement creusée, le toit du tunnel devant être créé et recouvert une fois le tunnel terminé. Ce type de tunnel est construit de l'une des deux manières suivantes:
- De bas en haut: un soutènement au sol est d'abord créé, puis le tunnel est construit autour de celui-ci.
- De haut en bas: les côtés et le toit du tunnel sont construits au niveau du sol et la tranchée du tunnel est creusée en dessous.
- Les deux méthodes sont principalement utilisées pour les tunnels moins profonds, bien que la méthode descendante permette de creuser des tunnels plus profonds que la méthode ascendante. Les tunnels plus profonds sont souvent creusés à l'aide d'un bouclier de tunnel, une structure en forme de boîte avec de petits volets ouverts pour creuser. Une fois que la saleté devant le bouclier est enlevée, le bouclier est déplacé vers l'avant pour continuer à creuser.
Étape 2. Créez les murs et le toit du tunnel
Les murs et le toit du tunnel peuvent être construits au fur et à mesure que le tunnel est creusé ou peuvent être pré-construits et mis en place au fur et à mesure que le tunnel est creusé. Les matériaux comprennent aujourd'hui les éléments suivants:
- Arcs en tôle ondulée.
- Arcs en béton préfabriqué.
- Murs préfabriqués en béton.
- Béton coulé ou projeté. Souvent, cela est utilisé en conjonction avec l'une des méthodes de l'arc formé.
Étape 3. Terminez le tunnel
La façon dont cela est fait dépend de l'utilisation de la méthode ascendante ou descendante.
- Les tunnels créés avec la méthode ascendante doivent être remblayés pour recouvrir le toit du tunnel et toute surface qui doit exister au-dessus du toit du tunnel est ensuite construite ou reconstruite.
- Les tunnels créés avec la méthode descendante sont creusés en dessous de l'endroit où les murs et le toit du tunnel ont été érigés, puis une dalle de base, qui sert de plancher du tunnel, est créée.
Partie 3 sur 4: Utilisation de tubes immergés
Étape 1. Draguer une tranchée lorsque le tunnel ira
Cette méthode est similaire à la méthode de coupe et de couverture, mais est utilisée pour creuser des tunnels sous-marins. La tranchée doit s'étendre sur la longueur du tunnel sous l'eau.
Étape 2. Posez une série de tubes en acier le long de la tranchée
Chaque tube est scellé à chaque extrémité avec une cloison. Si le tube est destiné à un tunnel automobile, comme dans le cas du tunnel Ted Williams à Boston, les tubes comprennent des sections de route préfabriquées.
Étape 3. Enfermez le tube avec suffisamment de remblayage pour résister à la pression de l'eau au-dessus
Pour le tunnel Ted Williams, il s'agissait d'une couche de roche de 5 pieds d'épaisseur (1,5 m d'épaisseur).
Étape 4. Connectez les tubes en retirant les cloisons intermédiaires
Tous les segments routiers ou ferroviaires intégrés aux tubes seraient également connectés à ce moment-là.
Partie 4 sur 4: Utilisation d'un tunnelier
Étape 1. Choisissez le bon tunnelier pour le travail
Les tunneliers, appelés tunneliers pour courts ou « taupes », comportent des plaques circulaires à l'avant appelées boucliers. Les couteaux en forme de disque sur le bouclier déchirent la roche et la saleté, qui passent à travers les ouvertures du bouclier sur une bande transporteuse à l'intérieur du tunnelier qui les dépose derrière la machine.
- Les types de boucliers TBM varient selon que la taupe doit creuser dans un sol mou, humide ou dans la roche dure. Les diamètres de bouclier vont du bouclier de 26,3 pieds (8,03 m) d'Aker Wirth sur son tunnelier utilisé pour les centrales électriques suisses de Linth-Limmern au "Big Bertha" d'Hitachi Zosen avec son diamètre de 57,5 pieds (17,5 m).
- Les taupes conçues pour creuser des tunnels sous la nappe phréatique comportent également des chambres à l'avant pour pressuriser le sol creusé.
- Pour les gros travaux, plusieurs tunneliers peuvent être nécessaires. Le tunnel sous la Manche a nécessité 11.
Étape 2. Mettez la machine en place
Pour un tunnel au niveau de la surface, ce n'est pas un problème. Si le tunnel doit être creusé profondément sous terre, un puits d'accès, généralement circulaire, est foré et revêtu de béton. Le tunnelier y est descendu et le tunnel est creusé à partir de ce point.
- Pour les tunnels longs, plusieurs puits d'accès sont percés.
- Lorsque le tunnel est terminé, les puits d'accès peuvent devenir des puits de ventilation et/ou des issues de secours. S'ils ne sont pas ainsi employés, ils sont laissés en place pour la durée de vie du tunnel.
Étape 3. Érigez les supports du tunnel au fur et à mesure que la machine perce
Des segments de béton préfabriqué sont érigés derrière le tunnelier pour former un anneau à des intervalles prédéterminés.
Étape 4. Pulvériser du béton sur les murs excavés entre les anneaux de support
Le béton projeté, ou béton projeté, enrobe et stabilise les parois du tunnel. Le béton projeté peut inclure des fibres d'acier ou de polypropylène pour le renforcer, un peu comme les barres d'armature en acier sont utilisées pour renforcer le béton coulé. Le béton projeté contient également un accélérateur pour l'aider à coller aux parois du tunnel et à sécher rapidement.
Des astuces
- Les premiers tunnels ont été creusés dans la roche en perçant des trous et en utilisant des explosifs: d'abord de la poudre noire et plus tard de la dynamite. Des supports temporaires de charpentes en bois seraient érigés, remplacés par de la brique et de la maçonnerie. Les tunnels ultérieurs utilisaient des anneaux en fonte segmentés, boulonnés ensemble, à la place du bois et de la maçonnerie.
- Les tunnels peuvent également être forés dans la terre molle en utilisant des vérins pour pousser des tubes/tuyaux ou des excavatrices en forme de boîte munies de têtes de coupe. Les tunnels à vérins tubulaires ont tendance à être étroits, ne dépassant pas 3,2 m (10,5 pieds) de diamètre, tandis que les tunnels à vérins caissons peuvent mesurer jusqu'à 20 m (65,6 pieds).
