Malgré les millions de personnes qui les traversent chaque jour, les tunnels de métro sont parmi les parties les moins visibles d’un réseau de transport en commun.

Alors que certaines différences plus évidentes sur les tunnels pourraient être repérées pendant que vous attendez le train sur le quai, peu de passagers connaissent l’histoire qui rend chaque tunnel de métro différent.

À mesure que les équipes techniques déterminent les exigences de chaque nouvelle ligne de métro ou agrandie, elles font des choix en fonction de la géographie des tunnels qu’elles traverseront.

Même la réponse à la question de savoir s’il faut aller au-dessus ou en dessous du sol dépend souvent de l’environnement. Par exemple, un tronçon de la ligne Ontario sera construit dans le corridor de GO Transit, le long des voies qui sont actuellement utilisées pour les lignes de métro de Stouffville et Lakeshore East.

« Si vous utilisez l’infrastructure disponible, vous pouvez aller beaucoup plus loin avant de manquer d’argent », a déclaré Duncan Law, commanditaire en chef de quatre projets de métro prioritaires chez Metrolinx. « Les avantages sont plus importants avec une distance supplémentaire, car un plus grand nombre de personnes peuvent accéder au transport en commun pour se rendre au travail ou à l’école. »

L’évolution des plans du prolongement du métro de Scarborough et du prolongement ouest d’Eglinton Crosstown a franchi une étape importante aujourd’hui (5 août), lorsque le gouvernement de l’Ontario a publié les listes restreintes de trois soumissionnaires pour chaque projet qui ont été présélectionnés pour faire avancer les travaux de forage du tunnel. Ils sont invités à répondre à une demande de propositions et à expliquer en détail comment ils réaliseront les projets. Lors de l’évaluation des propositions reçues, Infrastructures Ontario et Metrolinx s’attendent à attribuer ces contrats de percement de tunnels à la mi-2021.

Au fur et à mesure que les équipes préparent leurs propositions, choisir la bonne technique pour creuser chaque section de tunnel est une décision clé.

Certains tunnels sont forés avec des tunneliers (TMB), tandis que d’autres sont exploités selon une technique d’excavation progressive appelée méthode d’excavation séquentielle (SEM). Également connue sous le nom de méthode autrichienne, la méthode d’excavation séquentielle est utilisée pour extraire des sections spécifiques du tunnel tout en maintenant la stabilité du sol pendant l’exploitation minière.

Les deux méthodes présentent des avantages et des inconvénients.

En règle générale, l’avantage que représente la vitesse de rapidité d’un tunnelier, une fois qu’il est dans le sol et qu’il creuse de 10 à 15 mètres par jour, compense pour le temps de mise en place plus rapide et le coût inférieur des tunnels miniers de deux kilomètres ou plus.

« Un tunnelier devrait avoir un taux de production quotidien plus élevé que la méthode d’excavation séquentielle une fois qu’il est en marche, mais le coût pour obtenir la machine, installer le tunnelier et lancer la machine est élevé et devrait nous prendre un ou deux ans environ », a déclaré Richard Tucker, directeur du projet de la ligne Ontario et du prolongement du métro de Scarborough à Metrolinx.

Chaque tunnelier est construit sur mesure pour un travail particulier. La taille, le type de coupe et les détails techniques sont sélectionnés en fonction des besoins de chaque projet. Cela ajoute du temps au calendrier de construction, tout comme la nécessité de construire des puits de lancement et d’obtenir suffisamment d’énergie sur le site.

« Il vous faudra environ un an pour en obtenir un, mais une fois qu’il a démarré et qu’il est lancé, c’est généralement une méthode de travail efficace et sûre », a déclaré M. Tucker.

Il existe plusieurs types différents de tunneliers, qui sont tous personnalisés pour les conditions au sol qu’ils sont susceptibles de rencontrer sur toute la longueur du tunnel.

Certaines machines ont des tailles conçues pour traverser la roche, tandis que d’autres traversent un sol saturé d’eau souterraine. D’autres ont des modèles mixtes qui peuvent être conçus pour des tunnels qui passeront par différentes conditions souterraines.

Les tunneliers peuvent être aussi longs qu’un terrain de football, ce qui en fait essentiellement des usines de tunnel mobiles. Chacun a une lame rotative à l’extrémité avant, rongeant à travers le sol, une foreuse pour creuser le sol, et une bande transporteuse à l’extrémité arrière pour nettoyer les débris.

« Ils ont également des bras intégrés qui mettent simultanément des segments de revêtement de béton en place pour former les murs du tunnel », a déclaré M. Tucker. « Le tunnelier a une grande ventouse qui placera simplement les segments de doublure comme des blocs LEGO, les collera sur le mur et les boulonnera en place, en les plaçant à plusieurs reprises dans des anneaux ».

« Il coupe, se remplit, se propulse de quelques mètres en avant dans un cycle répétitif et très efficace », a déclaré M. Tucker.

Les travaux de forage en-dessous de Toronto ne sont pas nouveaux, y compris les travaux sur le projet de train léger sur rail (TLR) d’Eglinton Crosstown. En effet, cette technologie continue de fasciner le public. Dans le cadre du projet Crosstown, des foules se sont rassemblées lorsque les quatre tunneliers, surnommés lors d’un concours sous le nom de Dennis, Lea, Don et Humber, ont été mis en terre entre 2013 et 2015. Après avoir creusé des tunnels de 5,75 mètres de diamètre, à un rythme d’environ 10 mètres par jour, ils ont terminé leur périple souterrain en 2016.

Pour voir une vidéo sur la méthode de forage utilisée, vous pouvez simplement cliquer ici.

Les haveuses (machines de creusement), conçues à l’origine pour l’industrie du charbon et maintenant utilisées pour l’exploitation minière sous forme de méthode d’excavation séquentielle, peuvent être commandées plus rapidement que les machines tunneliers, parce qu’elles ne sont pas aussi personnalisées.

« L’un des avantages de l’approche séquentielle est qu’il n’est pas nécessaire d’attendre un tunnelier », a déclaré M. Tucker. « Vous pouvez obtenir une haveuse qui n’a pas besoin d’être construite sur mesure pour l’application. »

« Vous pouvez obtenir des dents et un moteur spécifique pour certaines conditions de terrain, mais ils sont généralement disponibles, de sorte que vous pouvez en commander un et le mettre dans le tunnel. Ils vous donnent un peu plus de flexibilité. »

Une exploitation minière réussie avec une haveuse dépend nécessairement d’un opérateur qualifié.

« Une haveuse ressemble à un gros bras, avec une grosse bille rotative à pointes, comme un hérisson, à l’extrémité avec des dents de coupe », a déclaré M. Tucker. « Un opérateur déplace le bras et la roche hors du sol avec la bille rotative. »

Les techniques d’exploitation minière nécessitent un support de maintien pour créer une marquise au-dessus du tunnel au fur et à mesure qu’il est creusé. Les supports peuvent inclure le boulonnage de roches, des voûtes en acier, des treillis en métal et des tuyaux formant une marquise.

« Dans la méthode d’excavation séquentielle, on ne prend pas tout le tronçon du tunnel en même temps. Au lieu de cela, ils prennent telle ou telle partie dans un certain ordre, afin de garantir la stabilité du sol qu’ils creusent », a déclaré M. Tucker.

Une fois le tunnel creusé, les revêtements sont installés dans de grands segments voûtés qui peuvent être en acier ou en béton.

Choisir le type de revêtement de tunnel est une autre décision clé. Certains revêtements plus épais sont conçus avec moins de renforcement et certains sont plus minces avec plus de renforcement (armature). Cette décision a un impact sur la taille du diamètre extérieur du tunnel.

Pour déterminer la taille du tunnel, il existe une règle essentielle.

« Plus le diamètre est grand, plus vous retirez de la terre, et personne n’est intéressé à le rendre plus grand qu’il ne doit l’être », a déclaré M. Tucker.

Les tunnels doivent tous être suffisamment grands pour accueillir les trains, une surface plane en béton au bas des voies, une passerelle de sécurité qui peut également être utilisée pour accéder à la maintenance et les évacuations d’urgence, ainsi que des systèmes d’alimentation, de signalisation, d’éclairage et de communication.

À mesure que les conditions du sol et l’environnement urbain changent d’un endroit à l’autre le long de la ligne, il faut tenir compte des différentes techniques de forage de tunnels, des tracés et des dimensions des tunnels pour optimiser la conception et les avantages de chaque tunnel.

Lorsqu’ils traversent le till glaciaire, qui est un mélange de rochers, de limon, de sable et d’argile, les urbanistes doivent tenir compte des différentes conditions, y compris la stabilité des eaux souterraines et du sol.

Il y a beaucoup de paramètres à prendre en compte, mais les choses peuvent être plus simples lors du forage à travers la roche solide.

« Même si la roche est plus dure, elle présente certains avantages en ce sens qu’elle se dresse autour du tunnel et elle est probablement plus uniforme que le sol, où les conditions varient au fur et à mesure que l’on passe du sable au limon, et de l’argile au gravier », a déclaré M. Tucker.

« En général, la roche de Toronto est plus uniforme d’une région à l’autre, même s’il peut y avoir des fissures ou des vallées, et cela peut changer le type de machine de forage (tunnelier) que vous envisagez d’utiliser, la taille des tunnels, et les moyens et méthodes pour faire avancer les tunnels de façon fluide et efficace », a déclaré M. Tucker.

Il y a de nombreuses variables à considérer, dont le processus décisionnel, a déclaré M. Law. Les principes fondamentaux sont les mêmes, que ce soit la planification d’un tunnel ou d’un pont.

« Lorsque vous construisez un pont, vous envisagez diverses options », a déclaré M. Law. « Il existe de nombreuses structures qui peuvent vous offrir le même avantage de passer de A à B, mais elles ont toutes des éléments différents, comme le coût, l’apparence et le processus d’ingénierie ».

« Lorsque nous évaluons les options, pour chaque tranche de 100 $ que nous dépensons, nous devons nous demander si nous gagnerions beaucoup plus en dépensant 110 $ ou si nous pourrions obtenir le même résultat pour 90 $. »

M. Law et son équipe veillent à ce que tous les choix soient correctement examinés. Ils recherchent des pratiques exemplaires qui peuvent à la fois atténuer les risques et saisir les avantages de toutes les technologies nouvelles et éprouvées qui sont disponibles.

« Dire : « Je l’ai construit comme ça avant, alors je vais le refaire comme ça » n’est pas la bonne façon de procéder », dit-il. « Il est utile de commencer par se poser les questions suivantes : « quelles sont les options? » Et définir le coût pour le faire correctement, puis expliquer vos décisions, ainsi que les avantages que vous générez. »

Le temps et le soin pris pour prendre les bonnes décisions de planification peuvent porter leurs fruits à mesure que les projets évoluent. C’est la raison pour laquelle les sponsors sont si actifs au tout début du lancement d’un projet.

En faisant preuve de flexibilité dans le processus de planification et en se concentrant sur les détails et les caractéristiques techniques de chacun des quatre projets de métro prioritaires, les gens peuvent s’attendre à des prises de décisions différentes pour chaque ligne, y compris différents diamètres de tunnel, les tracés et les techniques de creusement.

En fait, compte tenu des changements géographiques d’un quartier à l’autre, on ne peut pas nécessairement s’attendre à voir le même type de tunnel utilisé pour toutes les sections d’une même ligne de métro.

Les urbanistes ont le choix entre plusieurs options, notamment des forages simples, doubles, moyens, grands et énormes.

Dans un prochain article sur Metrolinx News, cherchez un article qui explore ces options et les facteurs qui entrent en jeu pour faire le bon choix pour chaque tronçon d’une ligne de métro.