Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands ouvrages hydrauliques souterrains, tels que les aqueducs, collecteurs et émissaires destinés soit à l'amenée, soit à l'évacuation des eaux des grands centres et certaines conduites établies en liaison avec les barrages et usines hydro-électriques.

Entre le moment où la première pelletée enlevée modifie l'équilibre d'une masse de terrain en place et celui où le revêtement achevé offre toute sa résistance, il est nécessaire, tant pour la sécurité des équipes au travail que pour le maintien aux dimensions données de l'excavation, de s'opposer par un dispositif approprié aux poussées plus ou moins intenses qui tendent à la fermeture de la cavité créée. On y parvient ordinairement par des systèmes d'étais reposant sur le sol des galeries, soit par un système d’ancrage par boulonnage ou de cintres provisoires. Après achèvement, le soutènement d’un tunnel est constitué soit de ces ancrages associés ou non à du béton projeté, soit d’anneaux de béton ou métalliques qui constituent ainsi une coque.

Origine du mot

Le terme « tunnel » est apparu tardivement^[1] dans la langue française, emprunté à l'anglais « tunnel » qui dériverait lui-même du français « tonnelle » évoquant la forme du tonneau. Ce mot apparaît après la construction du tunnel sous la Tamise construit par Marc Isambart Brunel. Le mot anglais a été ensuite repris par Marc Seguin au moment de la construction de la ligne de chemin de fer Saint-Étienne-Lyon, de préférence au terme officiel de "souterrain" qui a été conservé par VNF pour les canaux.

Définition

« un tunnel désigne toute route ou chaussée située sous un ouvrage de couverture qui, quel que soit son mode de construction, crée un espace confiné. Une section de route ou de chaussée située sous un ouvrage de couverture n'est pas un espace confiné dès lors que l'ouvrage de couverture comporte des ouvertures vers l'extérieur dont la surface est égale ou supérieure à 1 m² par voie de circulation et par mètre de chaussée »

Des types de tunnels très variés

Un tunnel peut être utilisé pour permettre le passage de personnes : piétons, cyclistes, trafic routier, trafic ferroviaire, péniches (canal en tunnel) ou navires de plaisance et de trafic maritime (ex : projet de tunnel à bateaux reliant deux fjords^[2]).

D'autres tunnels avaient fonction d'aqueduc, construits uniquement pour transporter de l'eau — destinée à la consommation, à l'acheminement des eaux usées ou à l'alimentation de barrages hydroélectriques — alors que d'autres encore sont creusés pour acheminer des câbles de télécommunication, de l'électricité, des hydrocarbures, etc. .

Quelques tunnels secrets ou stratégiques ont été également construits à des fins militaires pour pénétrer des secteurs interdits, comme les tunnels de Củ Chi au Viêt Nam, les tunnels reliant la bande de Gaza en Israël, ou les tunnels de sape destinés à affaiblir des fortifications ou les murailles de châteaux.

Il existe aujourd'hui des écoducs, tunnels spécifiquement destinés à permettre à des espèces menacées de traverser des routes sans danger.

Histoire des tunnels

Diverses installations fortifiées étaient équipées de tunnels plus ou moins secrets permettant à leurs occupants de s'enfuir ou de circuler sans être vus. De nombreux tunnels ont été construits dans le cadre d'activités minières ou nécessaires pour amener de l'eau, ainsi les qanats qui ont été réalisés dans des régions désertiques ou les tunnels construits en Israël à Jérusalem (tunnel construit par Ézéchias, vers 700 av. J.-C., amenant l'eau de la source de Gihon au bassin de Siloé) ou à Gezer (tunnel d'une longueur d'environ 67 m construit au milieu du II^e millénaire av. J.-C. pour permettre l'accès à une source souterraine)^[3].

• La plus ancienne mention d'un tunnel est celle de Diodore de Sicile décrivant le tunnel de Babylone qui aurait été construit par la reine Sémiramis, il y a près de 4 000 ans^[4],[5].
• Eupalinos dirigea la construction d'un tunnel à travers une montagne pour amener l'eau d'une source dans la ville de Samos vers 520 av. J.-C.
• Sur la Via Flaminia a été construit le tunnel routier du Furlo entre Cagli et Fossombrone réalisé sous Vespasien et terminé en 76 apr. J.-C.
• Les constructions à l'époque romaine des aqueducs nécessaires à l'alimentation en eau les villes ont été l'occasion de construire des galeries souterraines. Il en était de même pour l'évacuation des eaux usées et on peut encore voir à Rome le cloaca maxima datant, dans sa structure actuellement visible, de l'époque d'Auguste. Des galeries souterraines ont été construites pour réguler les niveaux de lacs, comme celle du lac Fucino avec un tunnel de 5 679 m de longueur ainsi que de 1 650 m pour le du lac de Nemi ^[6].

• Le plus ancien tunnel construit pour le passage d'un canal est le souterrain de Malpas construit par Pierre-Paul Riquet sur le canal du Midi en 1679.

C'est le développement du réseau ferroviaire au XIX^e siècle qui a entraîné le percement de très nombreux tunnels pour éviter les rampes importantes (non seulement à cause de la faible adhérence des roues sur les rails, mais aussi du ratio puissance/poids médiocre des locomotives à vapeur). De nos jours, c'est plutôt la nécessité d'avoir le meilleur profil en plan (grands rayons de courbure) pour les rames à grande vitesse qui conduit à la construction de tunnels (le tronçon de LGV Florence-Bologne en construction comporte 73 km de tunnels sur 78 km de longueur totale, la première LGV française Paris-Lyon ne comporte aucun tunnel, mais au prix de rampes sensibles (3,5 %). C'est aussi l'encombrement du sol et la difficulté de restructurer l'urbanisme existant dans les agglomérations urbaines qui poussent à l'utilisation du sous-sol, notamment avec les métros malgré le triplement du coût et une certaine claustrophobie des voyageurs.

L'amélioration des moyens techniques et la pression politique pour faciliter les déplacements permettent d'envisager des ouvrages très ambitieux comme le tunnel sous la Manche, et plus généralement sous les détroits ou les grands tunnels de base transalpins, en service (Lötschberg), percés (Saint-Gothard) ou en projet (Lyon-Turin, Brenner). Les tunnels longs sont très souvent affectés au chemin de fer (et à ses dérivés comme le maglev) car le risque d'accident est moindre et les longs trajets souterrains seraient fastidieux pour les transports individuels ; en outre, cela évite l'émission de gaz polluants en milieu confiné et simplifie le problème de la ventilation.

Construction

Les tunnels peuvent être creusés dans différents types de matériaux, depuis l'argile jusqu'aux roches les plus dures, et les techniques d'excavation dépendent de la nature du terrain.

Tranchée couverte

La construction d'une tranchée couverte est assez simple et peut s'appliquer aux tunnels peu profonds. Un fossé est excavé puis recouvert. Il peut être nécessaire de mettre en œuvre des procédés permettant d'assurer la stabilité des talus de l'excavation pendant les travaux : clouage des parois, murs ou parois provisoires (berlinoises, parisiennes, parois moulées, palplanches, etc.).

Les tunnels peu profonds sont souvent des tranchées couvertes, alors que les tunnels profonds sont excavés, souvent à l'aide de ce qu'on appelle un tunnelier. Pour les profondeurs intermédiaires, les deux méthodes peuvent être utilisées.

C'est la méthode de construction décrite par Diodore de Sicile pour le tunnel sous l'Euphrate qu'aurait réalisé la reine Sémiramis qui détourna le cours de l'Euphrate ^[7] pour y réaliser un tunnel dans son lit avec des parois en briques revêtues d'asphalte. Puis, une fois le tunnel terminé et remblayé, l'Euphrate fut rétabli dans son lit naturel.

Tunneliers

Les tunneliers sont des machines qui peuvent être utilisées pour automatiser le processus de percement du tunnel.

La nouvelle méthode autrichienne

La nouvelle méthode autrichienne (NMA, ou NATM en anglais) s'est développée dans les années 1960. Elle trouve tout son intérêt dans les zones de roches friables. L'idée générale de cette méthode est d'utiliser la roche intacte située à quelques mètres du tunnel pour stabiliser celle qui se situe plus près de l'ouvrage. Pour ce faire, de longues tiges en aciers sont enfoncées dans la roche puis boulonnées.

Tunnels sous-marins

Il y a aussi plusieurs moyens de construire des tunnels sous-marins. La méthode la plus fréquemment utilisée consiste à construire un tube immergé. C'est ce qui a été fait dans le port de Sydney et pour les tunnels de Posey et de Webster qui relient les villes d'Oakland et d'Alameda.

Tunnels hélicoïdaux

Construits en spirale à l'intérieur de la montagne, ils permettent un dénivelé important sur une très courte distance apparente (la sortie se fait souvent à l'aplomb de l'entrée). Quelques exemples :

• le tunnel de Saillens, entre Mérens-les-Vals et l'Hospitalet-près-l'Andorre, sur la ligne de Portet-Saint-Simon à Puigcerda (frontière) (longueur 1 752 m, dénivelé 66 m).
• les trois tunnels hélicoïdaux de la ligne de Coni à Vintimille : Berghe (longueur 1 884 m, dénivelé 90 m), Rioro n°2 (longueur 1 257 m, dénivelé 30 m), Rivoira à Vernante (longueur 1 502 m, dénivelé ?).
• le tunnel de Sayerce, à Urdos, sur la ligne de Pau à Canfranc (frontière) (longueur 1 793 m, dénivelé 60 m).
• le tunnel de La Boucle, à Moûtiers, sur la ligne de la Tarentaise (longueur 1 400 m).

Tunnel, lacets, viaduc ou passage en « déblai/remblai » ?

Le tunnel quand il est long est un investissement très coûteux, particulièrement quand il est percé dans une roche dure ou au contraire à risque de solifluxion. Par ailleurs quelques accidents graves (par exemple : Incendie du tunnel du Mont-Blanc) ont rendu son image moins attractive. Cependant dans un contexte difficile (fortes pentes, risque d'éboulement ou de glissements de terrain...) il peut être à terme moins cher et plus sécurisant qu'une longue route en lacets. Et outre une grande sécurité et une protection contre les intempéries (s'il est bien conçu), il présente l'avantage de ne pas couper les corridors biologiques là où ils existent et donc de ne pas contribuer à la fragmentation écopaysagère. De ce point de vue il est préférable au viaduc qui outre son impact paysager, peut affecter les migrations d'oiseaux et l'environnement nocturne, s'il est éclairé.

Quand il est court, on l'assimile parfois à un écoduc. Sa construction, qui se fait souvent dans des zones écologiquement sensibles (écosystèmes de montagne) doit s'accompagner d'une bonne étude d'impact et d'une bonne gestion des matériaux extraits et de l'air pollué par les véhicules, le train et le ferroutage étant de ce point de vue des alternatives qui se développent (en Suisse notamment).

Tunnel ou pont ?

Pour traverser une rivière ou un bras de mer, un tunnel est généralement plus coûteux à construire qu'un pont. Il existe cependant beaucoup de raisons de choisir un tunnel plutôt qu'un pont :

• Des considérations de navigation peuvent intervenir dans ce choix. Il est possible d'éviter d'avoir recours à des pont levants ou à des ponts suspendus, en créant des tunnels à certains endroits de la traversée, rendant ainsi le trafic fluvial ou maritime possible.
• Les ponts exigent habituellement sur chaque rivage une plus grande emprise que des tunnels ; dans les secteurs où l'immobilier est particulièrement cher (Manhattan, Hong Kong, etc.), c'est un facteur fort en faveur des tunnels.
• Dans le cas du projet Big Dig à Boston, un système de tunnels a été choisi afin d'augmenter la capacité du trafic.
• Un tunnel permet d'éviter des difficultés liées aux marées ou au mauvais temps pendant la construction (comme dans le tunnel sous la Manche de 50 km)
• Pour des raisons esthétiques (préservation de la vue, du paysage)
• Pour des raisons de résistance du sol au poids de l'ouvrage.
• Pour des raisons écologiques. Le tunnel à la différence de la route, d'une voie ferrée, ou de certains ponts n'a pas d'impact en termes de fragmentation écopaysagère ou de pollution lumineuse et le roadkill y est limité si l'entrée des animaux y est limitée par des aménagements adaptés aux ouvertures. Ainsi les mesures conservatoires faisant suite à une étude d'impact peuvent se traduire par la construction d'un tunnel. Le ferroutage est une solution permettant (comme dans le tunnel sous la manche) de limiter la pollution de l'air par les micro et nanoparticules.

Il existe de nombreux exemples pour lesquels on a choisi de traverser des rivières ou des bras de mer en construisant un tunnel plutôt qu'un pont : Holland Tunnel, Lincoln Tunnel entre le New Jersey et Manhattan, Westerscheldetunnel aux Pays Bas, tunnel sous la Manche.

Alternatives, solutions mixtes ?

• Quelques traversées de fleuves ou de bras de mer combinent les avantages du pont et du tunnel en les faisant se succéder ; on les appelle alors logiquement « ponts-tunnels ». Ce sont par exemple le pont tunnel d'Øresundsbron reliant le Danemark à la Suède, et le pont-tunnel Louis-Hippolyte-La Fontaine à Montréal.
• Au moins un projet de « pont-tunnel » a été étudié en France par la DDE du Nord parmi d'autres solutions à la fin des années 1990 et au début des années 2000 (abandonné depuis) : le projet de franchissement du lit majeur de l'Escaut à Proville dans le cadre du contournement-Sud de Cambrai. Il s'agissait d'une forme particulière de « pont-tunnel » comprenant un tube routier posé sur un viaduc qui aurait permis le franchissement de l'Escaut naturel et de l'Escaut canalisé tout en limitant l'incidence des véhicules sur le milieu naturel environnant. Cet axe routier aurait en effet amené les véhicules à traverser la canopée de deux massifs forestiers, de taille limitée, mais uniques dans cette région particulièrement déboisée. Il aurait de même coupé un important couloir de migration animale ayant vocation de corridor biologique de grande valeur (d'importance européenne) et unique dans la région. Le tube aurait ainsi permis de réduire le bruit et les perturbations liées aux véhicules ainsi que les nuisances liées à l'éclairage nocturne. Il était proposé de tester la végétalisation des piles du pont et de l'enveloppe formant le tunnel, ce qui aurait peut-être pu conférer à cette structure une fonction d'écoduc.

Tunnels remarquables

• Le plus long tunnel du monde, le tunnel de base du Saint-Gothard a été percé sous le massif du Saint-Gothard en Suisse entre Erstfeld et Bodio : long de 57 km, il comporte deux tubes parallèles. Le percement du premier tube a été achevé le 15 octobre 2010, et le second au printemps 2011. Ce tunnel mis en service en juin 2016 relie Zurich à Milan en 2h40 pour les trains de passagers qui peuvent y circuler à 250 km/h; les trains de marchandises roulent à 160 km/h.
• Le tunnel du Seikan, tunnel sous-marin de 53,850 km qui relie les îles de Honshū et de Hokkaidō au Japon, a été le plus long tunnel ferroviaire du monde jusqu'à la mise en service du tunnel de base du Saint-Gothard en juin 2016.
• Le tunnel sous la Manche entre la France et le Royaume-Uni fait 50,450 km.
• Le tunnel de base du Lötschberg en Suisse fait 34,6 km.
• Le tunnel de Guadarrama en Espagne fait 28,4 km.
• Le tunnel de Lærdal dans l'ouest de la Norvège, entre Lærdal et Aurland, est le plus long tunnel routier du monde (24,5 km).
• Le tunnel de Hsuehshan est le plus long tunnel routier d'Asie avec 12,90 km.
• En Finlande, l'aqueduc du Päijänne est le plus long tunnel creusé dans la roche au monde. Ses 120 kilomètres de long approvisionnent la capitale Helsinki en eau potable.
• À titre de curiosités, on peut citer les tunnels du CERN (Centre européen de recherche nucléaire), accueillant les accélérateurs de particules Super Proton Synchrotron (SPS) et Large Hadron Collider (LHC), tous deux situés au niveau de la frontière franco-suisse, à proximité de Genève. Ils présentent la particularité de former chacun un anneau (d’une circonférence de sept kilomètres pour le SPS et de 26,66 kilomètres pour le LHC), et de fait ils ne possèdent aucune extrémité et ne débouchent jamais à la surface. On y accède via des puits verticaux ou des galeries de service.

Tunnels en milieu urbain

Concevoir un tunnel pour une ville, c'est aussi se soucier de conserver le patrimoine, la paix du voisinage et réduire la pollution.

Plusieurs tunnels ont été construits ces dernières années dans des villes d'Europe :

• Malmö : le Citytunneln (6 km),
• Dublin : le tunnel du Port de Dublin (4,5 km),
• Moscou : le tunnel Lefortovo (3.2 km),
• Rome : le tunnel Giovanni XXIII (2,9 km),
• Bruxelles : le tunnel Léopold II (2,7 km) et le Tunnel de Kortenberg (2,1 km),
• Marseille: le tunnel Prado-Carénage (2,5 km), Prado Sud (2 km), Vieux Port (1,5 km), la Major et Joliette (2 km)
• Toulon : le tunnel de Toulon (3,5 km),
• Île-de-France : l’ouvrage le plus fréquenté d'Europe, le tunnel du Landy (1,3 km).
• Île-de-France : le tunnel Duplex A86 (10 km), un tunnel monotube deux étages.
• Angers: le tunnel d'Avrillé (1,7 km).
• Alger: le tunnel des Facultés à Alger-Centre.

Législation et sécurité

Après divers accidents parfois dramatiques comme celui du tunnel du Mont blanc en 1999 (39 morts), la réglementation concernant les tunnels s'est durcie, notamment concernant la surveillance des tunnels les plus longs ou difficiles d'accès.

En France, les tunnels sont notamment concernés par le code de la voirie routière^[8], par un arrêté du 18 avril 2007^[9] et relatif à la composition et la mise à jour des dossiers préliminaires et de sécurité et au compte rendu des incidents et accidents significatifs, par une annexe de circulaire sur la sécurité^[10] et par une circulaire interministérielle^[11] relative à la sécurité des tunnels routiers d’une longueur supérieure à 300 mètres.
Une autre circulaire^[12] concerne les diagnostics de sécurité des tunnels de plus de 300 mètres situés sur le réseau des collectivités territoriales ou le réseau d’intérêt communautaire relevant de la compétence d’établissements publics de coopération intercommunale (EPCI).
Les tunnels de plus de 300 m doivent faire l'objet d’exercices annuels^[13] organisés par le maître d’ouvrage et les services d’intervention.

Les tunnels routiers sont soumis à des autorisations de mise en service délivrées par le Préfet de département valables pour 6 ans. Les tunnels ferroviaires (hors RFF) ont des autorisations de 10 ans délivrées par le Préfet de région (par exemple la RATP). Les tunnels ferroviaires de RFF dépendent d'autorisations nationales.

Modèle de calcul

Stabilité du front de taille : modèle de Mollon