Voie ferrée
Voie ferrée et ballast
Aiguille
Voies, en cours de végétalisation et trottoirs
Un passage à niveau.
Réfection d'un passage à niveau, qui aurait pu être longé par un petit écoduc, car et la route, et la voie ferrée restent des facteurs de fragmentation écologique
Le viaduc (ici du TGV à Jaulny, en France) est nécessaire à la géométrie de la voie et permet de diminuer sa fragmentation écologique
Voie longeant le bord de l'estuaire de l'Exe
Les changements de largeur de voie à certaines frontières sont un des problèmes que le rail transnational a du gérer.
Voie ferrée desaffectée reconvertie en chemin de randonnée
Définitions, termes, catégories, caractéristiques Une voie ferrée est un chemin de roulement pour les convois ferroviaires, constitué d'une ou plusieurs files de rails dont l'écartement est maintenu par une fixation sur des traverses, reposant sur du ballast. Une voie en impasse se termine par un heurtoir (généralement improprement appelé buttoir). Selon les pays et les voies, elles sont publiques ou privées. Leur gestion peut
être sous-traitée ou assurée en régie. Des voies spéciales sont consacrées aux trains à grande vitesse (TGV). Les changements de voies se font généralement par des aiguilles (ou aiguillages) : un train ne choisit pas sa direction, à de rares exceptions près. Les ponts-tournants sont utilisés pour le garage des locomotives dans des rotondes.
Catégories de voies [modifier] Les voies sont classées en plusieurs grandes catégories, chacune sous-entendant une vitesse maximale et une charge à l'essieu. On distingue ainsi :
les voies principales, affectées à la circulation des trains, les voies de circulation affectées à desserte interne des grands complexes ferroviaires; les voies de service, affectées aux manœuvres, qui peuvent être d'anciennes voies principales déclassées, les voies de garage sont des voies de service affectées au stationnement du matériel roulant.
La distinction entre les voies de service et de garage n'est pas toujours évidente. Ces voies peuvent faire partie de réseaux plus globaux incluant le ferroutage, dans le cadre de l'intermodalité des transports.
Caractéristiques d'une voie Les paramètres principaux qui caractérisent une voie ferrée sont :
le type de rail utilisé (poids, longueur, section), le mode de fixation des rails aux traverses, la longueur des rails en voie (barres normales éclissées ou longs rails soudés) l'écartement des rails, et les tolérances admises, le type et la densité des traverses (travelage), le tracé en long (rayons de courbure et dévers), le tracé en profil (pente ou rampe), le support (ballast ou béton), la charge admise par mètre courant ou à l'essieu, la vitesse des trains (voies à grande vitesse).
Ecartement des rails Il existe plusieurs normes d'écartement des rails :
Voie normale : 1435 mm. C'est la norme la plus répandue dans le monde (elle fut créée en Angleterre : 4 pieds, 8 1/2 pouces.).
Voie de 1067 mm. C'est la norme (sauf pour le Shinkansen) au Japon, en Nouvelle-Zélande, Queensland (Australie), Afrique du Sud, Indonésie. Voie métrique : 1000 mm. Souvent utilisée dans les chemins de fer de montagne. Voie étroite : Écartement inférieur à 1 m (souvent 600 mm). Utilisé notamment dans les chemins de fer industriels. Voie large : o 1520/1524 mm (Russie et les autres pays de la Communauté des États indépendants, Finlande et les Pays baltes), o 1600 mm (Irlande, Brésil, Victoria et Australie méridionale) o 1668 mm (Espagne et Portugal), o 1676 mm (Inde, Pakistan, Bangladesh, Sri Lanka, Argentine, Chili).
Caractéristiques d'une ligne Une ligne ferroviaire peut être constituée d'une seule voie : on parle dans ce cas de « voie unique » ou souvent de deux voies : ligne à double voie, plus rarement trois voies ou plus. Autres paramètres qui caractérisent une ligne ferroviaire, outre le type de voie :
le gabarit, le système de signalisation.
Si c'est une ligne électrifiée, les caractéristiques propres au système d'alimentation électrique :
type de caténaire, hauteur de la caténaire, type de courant (continu, alternatif, tension, fréquence).
Ces caractéristiques détermineront notamment la vitesse limite autorisée sur la ligne et le poids total remorquable, fonction également des caractéristiques du matériel roulant. En France par exemple, il existe majoritairement deux types de courants : le 1500 V continu et le 25 kV alternatif (sur les LGV). Tous ces paramètres doivent être pris en compte pour assurer l'interopérabilité des réseaux ferroviaires. Il faut noter, pour ce qui concerne le réseau ferré français, des différences notables avec les réseaux voisins, outre la diversité des systèmes de signalisation :
avec la péninsule Ibérique, différence d'écartement des rails, avec la Grande-Bretagne, différence de gabarit, avec l'Allemagne, différence de courant de traction (15000 V 16 2/3 Hz en Allemagne, 25000 V 50 Hz ou continu 1500 V en France)
avec la Belgique, différence de courant de traction (3000 V = en Belgique et 25000 V ~ 50Hz sur les LGV et quelques lignes.)
les voies ferrées privées reliant des usines ou sites industriels (miniers, carbochimie, pétrochimie, etc) était parfois appelées cavaliers.
Entretien Le gestionnaire de la voie doit veiller a assurer en toutes circonstance la sécurité et la régularité des circulations ainsi que, pour les lignes circulées par des trains de voyageurs, le confort. Pour ce faire, il doit s'assurer que l'état d'usure des différents constituants de la voie reste dans une fourchette acceptable en regard des sollicitations auquelles ils sont soumis. Lorsque survient une défaillance ponctuelle de l'un des constituants (par exemple une rupture de rail), celui-ci est remplacé ponctuellement. En revanche, lorsque l'état général d'un des constituants n'est plus satisfaisant et risque d'entraîner un nombre de réparations ponctuelles trop important, l'ensemble des constituants de ce type sera remplacé en totalité (par exemple, usure générale des traverses alors que les rails sont toujours bons, ou inversement). Si tous des constituants de la voie sont constatés en fin de vie, alors la voie usée sera remplacée par une voie neuve. Une telle opération de remplacement, lourde, s'appelle RVB (Renouvellement Voie et Ballast). L'état géométrique de la voie a une grande incidence sur le confort ressenti par les passagers, mais aussi, dans certains cas, vis à vis de la sécurité. Il doit donc lui aussi être maintenu dans une fouchette acceptable en fonction du type de trains circulant sur la voie (présence ou non de trains de voyageurs) et de la vitesse des trains les plus rapides sur le tronçon concerné. La surveillance régulière et l'entretien doivent aussi porter sur l'ensemble des ouvrages d'arts et des ouvrages en terre (remblais ou tranchées) servant à l'établissement de la ligne. Lorsque ces opérations d'entretien ne peuvent être menées à bien, une solution provisoire est d'abaisser la vitesse autorisée sur la section en mauvais état afin de continuer à garantir la sécurité. Si l'absence d'entretien venait à persister, la seule solution, extrême, garantissant la sécurité est de fermer la ligne à tout trafic, comme par exemple au début de l'année 2007 sur la ligne des Causses reliant Béziers à Neussargues dans le centre de la France. Le gestionnaire de la voie doit par ailleurs veiller également à ce que la végétation n'endommage pas la voie ni les équipements qui lui sont liés (installations de
signalisation ou de traction électrique par exemple), que les feuilles mortes ne s'accumulent pas sur les rails (car elles font obstacle à une bonne adhérence de la roue sur le rail, nuisant à l'accélération comme au freinage et entrainant, entre autres, des problèmes de régularité). Pour ne pas polluer les nappes phréatiques (autour des zones de Vittel ou Evian en France par exemple, exploitées pour leur eau), les voies peuvent être désherbées thermiquement, au lieu d'épandre des pesticides désherbants. Une gestion adaptée et plus respectueuse de l'environnement permettrait de conférer aux abords de la voie ferrée un rôle plus important de corridor biologique. C'est le long des voies que des animaux tels qu'hérissons ou écureuil peuvent encore entrer en ville. Les voies qui traversent des canaux ou des autoroutes sont parfois empruntées (de nuit en général) par des grands mammifères tels que sangliers ou chevreuils.
Environnement Le rail est reconnu comme l'un des modes de transports les plus intéressants en matière de développement durable et de sécurité. Mais la construction, le fonctionnement, l'entretien et la fin de vie des voies ferrées posent des problèmes environnementaux, même s'ils sont reconnus bien moindres que ceux posés par les routes et autoroutes. Par exemple :
le bruit et les vibrations le désherbage chimique des voies la gestion de sites anciennement pollués par la créosote, des désherbants, des hydrocarbures, ou des séquelles de guerre. une contribution à la fragmentation écologique des écosystèmes et des populations animales et donc végétales (car nombre de propagules végétales doivent être transportées, voire partiellement digérées par des animaux pour assurer la dispersion, le mélange et l’évolution des individus et des gènes au sein de l’espèce et dans le territoire).
Cas des LGV Cette contribution à la fragmentation écologique, mineure avec les trains classiques (et bien moindre que pour les routes), est majeure pour les TGV :
si leur double clôture protège les trains des collisions avec les grands mammifères, elles constituent aussi une barrière étanche à la circulation de nombreux animaux. le micro-climat qui s'établit sur les ballast non végétalisés (pas d'évapotranspiration), et très drainants s'oppose aussi à leur traversée par nombre d'espèces.
l’effet de souffle et de brutale surpression/dépression au passage des trains à plus de 200 km/h peut choquer ou blesser mortellement de nombreuses espèces, à 1 mètre ou même plus de distance de la voie.
Les mesures conservatoires et compensatoires étant coûteuses, elles n'ont souvent pas été prévues ou mises en place sur les premières voies à grande vitesse. Et elles restent très rares sur les voies récentes, qui par ailleurs, comme les voies routières peuvent induire des remembrements aux conséquences encore plus négatives sur l'Environnement.
Mesures envisageables Pour fortement réduire la fragmentation par les voies TGV, il faudrait des voies beaucoup plus « transparentes » à la circulation de la flore et de la faune (écoducs plus nombreux et plus larges, et correctement positionnés, avec plus de passages en viaduc et tunnels). Et lorsque l’occasion s’en présente de nouveaux écoducs devraient être construits là où les écologues le jugeront pertinent sur les voies actuelles (Cf. notice annexée au Schéma de service collectif « Espaces Naturels et Ruraux » / IFEN, suite à la Loi d’orientation et d’aménagement durable du Territoire, qui prévoit ce type de solutions dans les régions particulièrement fragmentée par les infrastructures de transport).
Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et de marchandises. Il se compose d'une infrastructure spécialisée, de matériel roulant et de procédures d'exploitation faisant parfois intervenir l'humain, même si dans le cas des métros automatiques cette intervention se limite en temps normal à de la surveillance. Par métonymie, « chemin de fer » désigne aussi les sociétés exploitantes, souvent appelées autrefois « compagnies ». Les employés du chemin de fer sont les « cheminots ». L'expression « chemin de fer » est apparue officiellement dans l'ordonnance royale du 26 février 1823 autorisant la construction de la première ligne Française à Saint-Étienne[1]. L'adjectif correspondant, « ferroviaire », qui dérive de l'italien ferrovia, est apparu vers 1911. Le système ferroviaire est aussi utilisé sous diverses déclinaisons spécialisées : métros[2], tramways, chemins de fer à crémaillère. L'infrastructure des chemins de fer est appelée voie ferrée. Elle se compose, la plupart du temps, de deux files de rails posés sur des traverses), d' appareils de voie, passages à niveau, de la signalisation et, le cas échéant, des installations de traction électrique (sous-stations, caténaires...). Le matériel roulant circule communément en convois, appelé trains ou rames. Les convois sont composés de wagons ou de voitures tractés par des locomotives. Il peut également s'agir de rames autotractées, c'est-à-dire incluant leur propre système de traction. L'humain est au centre des systèmes ferroviaires couramment rencontrés, que ce soit pour la conduite des trains, l'orientation des convois vers leur destination, la sécurisation des voyageurs ou marchandises transportées. Le travail de l'humain est encadré par des procédures. Très tôt, on a légiféré sur le chemin de fer. En France, la loi du 15 juillet 1845 (encore en vigueur) pose les bases de la Police du Chemin de Fer (statut des voies ferrées, servitudes, droits et devoirs des exploitants et des tiers...). Depuis, de nouvelles lois et de nombreux règlements sont venus la compléter, en ce qui concerne la sécurité, l'organisation et le service public. L'apparition des transports guidés a eu lieu en Europe aux alentours de 1550[3], pour des voies minières. Celles ci utilisaient des rails de bois. La première voie ferrée a été établie au Royaume Uni au début du 17° siècle, principalement pour le transport du charbon d'une mine à un canal, d'où il pouvait être chargé sur des barges. On trouve des traces de ce genre de chemins de fer à Broseley dans le Shropshire. Les rails étaient constitués de bois nu, les roues étaient munies de boudins, comme sur les véhicules ferroviaires actuels. En 1768, la compagnie Coalbrookdale eut l'idée de remplacer ses rails en bois par des rails en fonte moulée, pour limiter l'usure de la voie et transporter de plus lourdes charges. Les rails d'acier sont apparus au début du 18° siècle. L'ingénieur William Jessop conçut des rails prévus pour être utilisés avec des roues sans boudin: ils constituaient une sorte de cornière. Ces rails devaient être utilisés pour un projet dans le secteur de Loughborough, Leicestershire en 1789. En 1790 il était de ceux qui fondèrent une aciérie à Butterley, Derbyshire pour produire des rails (entre autres). Le premier chemin de fer ouvert au public a été le Surrey Iron Railway, ouvert en 1802 par Jessop. Les convois étaient tractés par des chevaux. Le premier réseau voit le jour en Europe continentale dans la région de Saint-Étienne, en France, entre 1827 (Louis-Antoine Beaunier) et 1830 (Marc Seguin). En Europe et en Amérique du Nord, la période de plus grand développement du chemin de fer va de 1848 à 1914. Après la Première Guerre mondiale, le chemin de fer continue à se développer, notamment les lignes secondaires à voie étroite, mais il est fortement concurrencé, sur les courtes distances, par l'automobile et le camion. Après la Seconde Guerre mondiale arrive la concurrence de l'avion sur les longues distances ; les lignes secondaires disparaissent.
La crise pétrolière de 1973 marque le début du renouveau du chemin de fer, principalement pour les transports de voyageurs à l'intérieur des grandes métropoles et grâce à de nouvelles lignes intercités, parcourues par des trains à grande vitesse. La sustentation magnétique (dite Maglev) dont une ligne de 43 km a été mise en exploitation en 2005 à Shanghaï (Chine) peut devenir un concurrent viable. Caractéristiques fondamentales Le chemin de fer se distingue des autres modes de transport par les points suivants :
Technique * Roulement acier sur acier : la caractéristique fondamentale du chemin de fer est le roulement acier (roue) sur acier (rail) à faible coefficient d'adhérence, qui limite très sensiblement la résistance à l'avancement, et en contrepartie augmente les distances de freinage. La faible adhérence impose aussi des contraintes de tracé des lignes pour éviter les trop fortes rampes : tracé en fond de vallées, ouvrages d'art importants (tunnels, viaducs). Les distances de freinage importantes interdisent en circulation normale la marche à vue. * Transport guidé : c'est un transport guidé (par les rails) qui n'offre aux véhicules qu'un seul degré de liberté, en avant ou en arrière. Les changement de voie ne peuvent se faire qu'aux aiguillages, le dépassement est impossible, la formation des trains nécessite des manœuvres complexes. * Circulation en convoi : les véhicules (wagons) ne circulent pas isolément comme sur la route, mais groupés en convoi, le train, tracté par une locomotive. Cela autorise une grande capacité de transport et limite la résistance à l'avancement. Cela impose pour la construction et les attelages des wagons et des voitures à voyageurs des normes minimum de résistance à la compression et à la traction. Toutes ces caractéristiques induisent un système d'exploitation particulier, qui repose d'abord sur un système de signalisation strict et sur l'établissement d'un graphique de circulation. En contrepartie, elles limitent les dépenses d'énergie et procurent au chemin de fer un haut niveau de sécurité.
Économie * Transport collectif : le chemin de fer est par définition un transport collectif, dont l'exploitation et les horaires ont été dès l'origine très réglementés par l'État, pour lequel s'est imposé très vite la notion de service public. D'autre part l'influence sur l'urbanisme est important car c'est un facteur essentiel de l'aménagement du territoire. * Monopole naturel : l'importance des investissements nécessaires pour construire le réseau ferroviaire et plus encore les lignes à grande vitesse fait de celui-ci un monopole naturel et lui donne une importance militaire stratégique. * Transport intégré : les liens très étroits imposés par la technique entre la voie et le matériel roulant ont conduit dans la très grande majorité des cas à des entreprises ferroviaires intégrées, c'est-à-dire maîtrisant simultanément la gestion du réseau et l'exploitation des trains. La politique de libéralisation en cours dans l'Union européenne vise à ouvrir la concurrence entre les exploitants en confiant le réseau à des gestionnaires indépendants de ceux-ci. Il faut aussi assurer l'interopérabilité des réseaux.
Voie ferrée.
Les systèmes ferroviaires nécessitent une infrastructure particulière appelée Voie ferrée. Les véhicules sont guidés par une ou plusieurs files de rails fixés sur des traverses au moyen, en France, de tirefonds. Le ballast est une couche drainante sur laquelle reposent les traverses. Il permet d'affiner la géométrie de la voie, par exemple pour créer un dévers en courbe. Les véhicules étant guidés par les rails, ils ne peuvent
pas changer de direction sans utiliser une installation particulière. La plupart du temps il s'agit d'un aiguillage, manoeuvré soit à pied d'oeuvre soit d'un poste d'aiguillages. Le matériel ferroviaire, de par sa technique de roulement, ne peut pas monter ou descendre de pente trop importante, ni effectuer de courbe trop prononcée. Pour s'adapter au terrain, la construction des lignes de chemin de fer à nécessité l'établissement d'Ouvrages d'art : ponts, viaducs et tunnels. La voie peut aussi croiser la route à un passage à niveau. La distance entre les deux rails de roulement (cas le plus fréquent) est appelée écartement. Elle est mesurée entre les faces internes du rail. L'écartement le plus communément répandu est celui de la voie normale : 1435 mm (standard UIC). Au delà, on parle de voie large, en dessous il s'agit de voie étroite. Certains trains sont mûs par de l'électricité et nécessitent des infrastructures spécifiques dès lors qu'ils ne fournissent pas eux même leur énergie. Dans la majorité des cas, cette alimentation en énergie se fait par une caténaire suspendue au dessus des voies, le train venant capter le courant grâce à un pantographe ou une perche. Les métros et certains pays (Angleterre) utilisent un troisième rail latéral: le captage est alors assuré par des patins. D'autres systèmes utilisent un troisième rail central, par exemple le nouveau tramway de Bordeaux. Dès lors que deux trains peuvent circuler en même temps sur une ligne commune, il est nécessaire d'établir des règles de circulation afin de garantir la sécurité. Comme sur route, une signalisation a été mise en place ainsi que des systèmes de prévention des risques ferroviaires. Un de ces systèmes est le cantonnement, qui interdit à un train d'entrer sur une section de ligne où se trouve déjà un autre train. Comme tout transport en commun, les trains ne s'arrêtent pas n'importe où. Les voyageurs prennent le train dans une gare pour descendre dans une autre[5], parfois après avoir eu à effectuer des correspondances. Les marchandises sont chargées sur des wagons dans une gare de fret ou sur un embranchement particulier. Elles changent de direction dans des triages. Les containers sont chargés et déchargés à un terminal de transport combiné. Types de chemins de fer particuliers Une grande variété de systèmes de transport dérivant du principe de base du chemin de fer existent. Les points communs entre ces systèmes sont le roulement fer sur fer et le guidage. Les variantes se situent au niveau de la structure et du mode d'exploitation.
En zone urbaine
Ainsi, en zone urbaine dense nécessitant une désserte intense on a eu recours à des métros, parfois souterrains pour limiter l'espace occupé. Ailleurs, des systèmes moins lourds ont été utilisés : VAL Skytrain. Pour la désserte d'une métropole entière, le système du Réseau express régional est utilisé. Il s'agit de mettre en place des axes permettant de transporter d'importants volumes de voyageurs, souvent de banlieue au centre urbain. Le tramway permet une désserte plus fine (des arrêts plus rapprochés) en s'insérant dans le tissu urbain. Cependant, sa capacité est bien moins élevée que celle des métros. Techniques particulières De par son principe de fonctionnement, un train ne peut pas gravir d'importantes déclivités. Pour compenser celà, les ingénieurs ont eu l'idée de placer un troisième axe sur lequel le convoi vient prendre appui. Il s'agit du chemin de fer à crémaillère. Si les déclivités sont encore plus importantes, on a recours au funiculaire. La traction est alors assurée par un câble. Dans certaines villes, San Francisco par exemple, ou Paris dans le passé, il existe des tramway à traction par câble. On concentre ainsi l'équipement de traction en un seul point. Le téléphérique peut être considéré comme un "funiculaire suspendu", dont la voie est constituée par un ou plusieurs câbles porteurs fixes. Cette installation ferroviaire à part entière était d'ailleurs appelée "funiculaire
aérien" à ses débuts. Le dictionnaire Flammarion de 1982 définit le téléphérique comme un 'type de chemin de fer dont les véhicules circulent sur des câbles aériens faisant office de rails'. Pour limiter l'espace occupé, certains ont pensé à des monorails. Ce système est relativement peu utilisé pour le transport de voyageurs mais commun dans l'industrie dans sa version portante (rail au plafond). Une des pistes d'évolution du chemin de fer est le train à sustentation magnétique. Les essais de ce système sont prometteurs. A l'inverse, d'autres expérimentation portent (ou ont porté) sur des train gravitationnel, mûs par la pesanteur, à la manière des trains de parc d'attractions qui, une fois lancés, avancent grâce à leur propre inertie. Matériel roulant Les véhicules ferroviaires sont appelés trains. Depuis une vingtaine d'année on a vu apparaître l'expression train à grande vitesse pour qualifier les matériels dépassant les 250km/h. Les trains que l'on rencontre ont plusieurs structures. La première, la plus classique, est celle d'un convoi composé d'une (ou plusieurs) locomotive(s), de voitures dans le cas de trains de voyageurs ou bien de wagons. Dans le cas où la locomotive peut pousser la rame au lieu de la tirer, on dispose de voitures pilotes, dotées d'une cabine de conduite. Les locomotives peuvent être de plusieurs types, selon leur source d'énergie. Anciennement, on trouvait des locomotives à vapeur, brûlant du charbon ou du mazout. Actuellement, on trouve surtout des locomotives diesel, mûes par un moteur thermique, ainsi que des locomotives électriques, alimentées par caténaire ou troisième rail. Le second cas de figure est celui de convois indéformables comprenant à la fois éléments de traction et compartiments voyageurs appelés rames automotrices. Il existe en Allemagne des rames automotrices destinées aux marchandises. Une rame automotrice à traction diesel est appelée Autorail, à l'exception notable des Turbotrains. Les TGV sont des automotrices, ainsi que la plupart des trains à grande vitesse. Pour les manœuvres ou la traction de trains légers, on a recours à des Locotracteur, électriques ou diésels. Si en France, on ne trouvera que des diesels, la Suisse dispose d'une majorité d'engins électriques. Les services de l'entretien des voies utilisent des Draisines, de petits véhicules capable de déplacer une équipe sur son chantier. On trouvera également à l'entretien des voies une grande variété de matériels spécialisés: désherbeuses, raton-laveur, bourreuses, etc...
Les rails (appelés lisses en français québécois) sont de longues barres d’acier profilées, qui mises bout à bout servent à former un chemin de fer. Les rails servent à la fois de guide et de support de roulement pour les véhicules. Étant conducteurs, ils sont souvent utilisés pour la transmission de signaux (circuits de voie) et pour le retour des courants de traction et des auxiliaires du train (ligne train pour le chauffage et la climatisation sur les rames tractées). Généralement, une voie ferrée est constituée de deux files de rails posées en parallèle sur des traverses. Un système de transport fondé sur l’utilisation d’un seul rail est un monorail. Un rail peut servir aussi à l’alimentation électrique (alimentation par troisième rail). Types de rails
Le rail moderne est généralement du type « Vignole » ; dans une section transversale, on distingue le patin qui s’appuie sur la traverse, le champignon qui constitue le chemin de roulement, et l’âme, filet vertical qui relie le champignon au patin. Sur les lignes importantes, la masse linéique standard du rail est de 60 kg/m. Le rail à double champignon, dont la section est symétrique, avait été conçu pour permettre de retourner le rail usé et donc doubler sa durée de vie. Ce principe a été abandonné. Des rails à gorge (type « Broca ») sont utilisés pour les voies encastrées dans des chaussées routières, notamment pour les installations industrielles et les lignes de tramway. Pose des rails
La pose des rails se fait normalement avec des joints de dilatation, les rails, de 18 ou 36 m de long, coulissant librement dans les éclisses (pièces qui assurent la jonction de deux rails successifs). Dans ce cas la continuité électrique doit être assurée. De plus en plus se développe la technique dite des « barres longues » ou LRS (longs rails soudés), dans laquelle les coupons de rail de 80 m sont soudés en atelier en longueurs de 320 à 400 mètres. Ces barres sont posées sur de très grandes longueurs, sans limite réelle, les soudures nécessaires étant réalisées sur place. La dilatation est contrainte par le frottement des traverses sur le ballast. Cela suppose réunies certaines conditions de stabilité de la plate-forme et de rayon de courbure minimum. À l’extrémité des LRS sont installés des appareils de dilatation, ainsi qu'au droit de certains ouvrages d’art. Le ballast est constitué de roches dures concassées (généralement, il s’agit de roches éruptives : granite, rhyolite, quartzite...) qui doivent résister à l’attrition, qui émousse les angles. L’épaisseur du ballast est fonction de la charge et de l’intensité du trafic, 30 cm sur ligne classique, 40 cm sur LGV.
Une voie ferrée traditionnelle est fixée sur des traverses en bois reposant sur un ballast fait de cailloux concassés à arêtes vives. La fixation se fait grâce à des tire-fonds ou des attaches élastiques. Les traverses assurent la transmission de la charge au ballast, et le maintien de l’écartement et de l’inclinaison des rails. Le travelage, c’est-à-dire le nombre de traverses au kilomètre est variable, généralement de 1666 traverses/km à la SNCF. Les traverses peuvent être : * en bois (généralement du chêne, mais on utilise aussi des bois exotiques durs, tels l'azobé, de durée de vie réduite (20 à 30 ans) mais faciles à mettre en œuvre) ; * en acier (plus bruyantes, ne sont plus utilisées en France en pose neuve) ; * en béton, de durée de vie importante (50 ans), il en existe de deux types : bibloc, reliées par une barre métallique, monobloc en béton précontraint. Les traverses en béton sont appelées des blochets. Durant leur phase de préparation, les traverses en bois sont imbibées de créosote lors d'un passage en etuve. La créosote est un assemblage d'hydrocarbures utilisé dans la protection du bois. La voie ferrée peut aussi être posée sans ballast, directement sur un lit de béton. C’est le cas du tunnel de Marseille sur la LGV Méditerranée, ainsi qu’en Allemagne de la ligne ICE entre Francfort et Cologne. Ce procédé réduit l’entretien mais coûte plus cher et ne permet pas de corriger facilement les défauts de géométrie. Les croisements et changements de voies se font en général par des appareils de voie qui comprennent des aiguillages, des traversées (croisement de deux voies sans aiguilles mobiles) et des traversées jonctions simples ou doubles, autorisant le croisement de deux voies et l’aiguillage vers une ou deux directions. À l’époque de la vapeur il y eut des ponts tournants, valables surtout pour des véhicules de faible empattement. Outre ses fonctions de roulement et de guidage, le rail a souvent une fonction de sécurité : il sert de circuit aux courants de signalisation, ce qui permet de mettre au rouge automatiquement un signal lorsqu’un véhicule court-circuite les deux rails. De plus, le rail constitue le circuit de retour du courant electrique de traction vers la sous-station d'alimentation. Caractéristiques du rail Le rail ferroviaire est en acier, avec un taux de carbone moyen, de l'ordre de 0.6% à 0,8%, mais un taux de manganèse et de silicium importants, de 0,7% à 1,2% et de 0.1% à 0.6% respectivement, qui le rendent dur et lui permettent de supporter des contraintes élevées. Les rails étant des produits métalliques massifs, ils doivent être exempts d'hydrogène. En effet, la petite taille de l'atome d'hydrogène lui permet de circuler dans le produit fini, jusqu'à créer localement des bulles susceptibles de provoquer une rupture spontanée du rail. Les rails sont laminés à chaud (température de l'ordre de 1200 degrés) et subissent un corroyage (réduction de section depuis le bloom jusqu'au rail fini) d'au moins 7. Ce corroyage peut cependant être insuffisant pour certaines applications: la solidification des blooms doit alors être bien maîtrisée. Pour ces aciers au carbone on n'utilise pas la terminologie habituelle de la sidérurgie; on parlait de nuances 700, 800 ou 900A (MPa) jusqu'en 2002, de nuances comme par exemple R260 (dureté HBW sur la table de roulement) selon la norme européenne EN13674 de nos jours. Les rails manufacturés ont des profils symétriques. À la pose, ils sont légèrement inclinés vers l’intérieur de la voie d’environ: * 1/20e en France, Belgique, Italie, Espagne... * 1/30e au Danemark, en Suède * 1/40e en Allemagne, en Europe centrale On parle ainsi de "pose au 20e, au 40e".
Un très grand nombre de profils de rails a existé. Les plus répandus aujourd'hui (50E6 - anciennement U50, et 60E1 - anciennement UIC 60...) comportent une table (dessus du champignon) avec un rayon de 200 à 300 mm, des congés latéraux de rayon 12 à 13 mm, et souvent un rayon de raccordement intermédiaire, par exemple de 60 à 80 mm. Les rails s'usent, surtout en courbe, et s'éloignent de ces valeurs théoriques. La table de roulement des roues est de forme conique avec un raccord concave vers le boudin. C'est la forme de la roue qui permet à l'essieu ferroviaire monobloc, par différence des rayons de roulement droitegauche, de s'auto-centrer dans la voie lorsqu'il se déporte latéralement, sans action d'organes extérieurs. Cet asservissement mécanique lui permet de prendre les courbes larges sans user son boudin. Le profil de roue normalisé par l’Union internationale des chemins de fer, dit « profil UIC », comporte une partie au 1/40e et un raccordement progressif vers le boudin. Ce profil est appelé également S1002, d’après la désignation de celui qui avait été choisi parmi les différents profils testés. La conicité, c’est-à-dire l'angle (en radian) au contact roue-rail est propre à chaque couple -profil de roue / profil de rail-, et varie avec l’usure. C'est un fonction de la position latérale de l'essieu dans la voie, donc de la roue relativement au rail, qui peut varier de typiquement +/- 8 mm entre butées aux boudins. Elle est sensible à la pose du rail, à l'usure, à l'écartement. La conicité équivalente est la valeur de cette fonction pour un jeu dans la voie donné. Par exemple, à l’état neuf, pour un jeu de +/-3 à +/-5 mm elle est de : * 0,16 à 0,24 pour le couple S1002/rail au 1/40e ; * 0,01 pour le couple S1002/rail au 1/20e. S'agissant d'une valeur locale de la fonction, elle est très sensible à la pose du rail. Une forte conicité caractérise un contact capable de bien auto-orienter l'essieu, mais il risque de rendre le bogie et donc le véhicule instable. On y remédie avec des suspensions raides. Il s'agit d'un compromis différent pour un TGV et un métro. Les surfaces de contact entre roue et rail sont de l'ordre du cm2 ; on les calcule à partir des courbures des profils, à l'aide de la théorie de Hertz sur le contact élastique (1887). les pressions peuvent être très élevées, de l'ordre de 1000 MégaPascal. Les efforts tangents se calculent par la théorie de Kalker (1967). Les rails de tramway sont souvent posés à plat, et leurs roues sont parfois cylindriques. Les virages sont si serrés sur les réseaux de tramways que l'on ne cherche même pas toujours à utiliser l'effet bicône. On limite l'usure par le graissage des boudins et en ne chargeant pas trop les essieux. En France comme dans une majeure partie des pays, l'écartement des rails est généralement de 1,435 mètre (sauf voies industrielles spécifiques ou de tourisme où l'écartement peut varier beaucoup). Pour augmenter l'effet bicône on surécarte les voies de chemin de fer dans les courbes, sauf pour les tramways qui utilisent des rails à gorge ne permettant pas ce surécartement sous peine d'une usure anormale du flanc interne des roues. Entretien du rail L'entretien de la voie ferroviaire est concentré sur le ballast et la rectitude d'alignement des rails. Cette dernière se vérifie sous charge, par exemple en France avec les voitures "Mauzin". On peut rectifier les déviations par bourrage du ballast, par changement des traverses ou des attaches si elles sont endommagées, ou par "Renouvellement Voie Ballast" (RVB) si la voie est jugée trop ancienne. La maintenance des rails porte sur leurs défauts internes ou externes. Sous l'action du passage des roues, les contacts peuvent fatiguer le rail. Des défauts internes ou des soudures mal faites peuvent générer des fissures non débouchantes que l'on détecte par ultra-sons. Des fissures externes peuvent apparaître, surtout dans les courbes, là où il y a glissement relatif roue-rail. On détecte ces défauts de surface par capteurs à courant de Foucault, qui détectent aussi l'usure ondulatoire.
Le moyen principal de maintenance préventive en matière de voies est le meulage, qui permet d'éliminer les défauts de surface susceptibles de générer des fissures, comme par exemple la fatigue de contact (RCF ou rolling contact fatigue en anglais) ou l'usure ondulatoire. Chaque meulage enlève jusqu'à 1 mm d'épaisseur d'acier et redonne une forme appropriée au champignon. La surveillance d'un réseau ferroviaire par ces méthodes est critique pour la sécurité mais aussi pour la maîtrise des coûts de maintenance. Il existe des rails dits sans entretien, colaminés à chaud avec une plaque inoxydable qui permet à la table de ne pas s'oxyder. Le contact sur ces rails permet de garantir le shuntage, lorsque les rails sont utilisés dans les circuits de voie.
On appelle ballast le lit de pierres ou de graviers sur lequel repose une voie de chemin de fer. Son rôle est de transmettre les efforts engendrés par le passage des trains au sol, sans que celui-ci ne se déforme par tassement. Le rôle du ballast est aussi d'enchasser les traverses afin d'assurer une résistance aux déformations longitudinales (particulièrement important pour la technique des longs rails soudés). On utilise généralement de la pierre concassée, de granulométrie variant entre 25 mm et 50mm, de type plutonique : granite, diorite, etc. On utilise du gravillon fin (10 mm à 35 mm) pour le nivellement. Les carrières où l'on extrait et transforme ces matériaux sont appelées ballastières. Il est aussi possible d'utiliser le laitier (produit par les hautsfourneaux)
Les éléments du ballast doivent s'imbriquer, de façon à former une masse compacte, mais perméable. Les traverses sont enchâssées dans le ballast, ce qui assure la fixité de la voie. Le ballast subit deux types d'usure :
contamination par des matériaux parasites, par exemple de la terre. On procède à des désherbages, mais il est nécessaire de remplacer le ballast régulièrement ; tassement du ballast sous les traverses, ce qui provoque une déformation verticale de la voie. Il est alors nécessaire de réinjecter du ballast de faible granulométrie sous les traverses; ou bien de réaliser une opération d'entretien à l'aide d'une bourreuse.
Les aiguilles ou aiguillage [modifier]
constitution d'un branchement : 1 : partie aiguillage 2 : partie intermédiaire 3 : partie croisement
Aiguillages On appelle "aiguilles" ou "aiguillage" la partie du branchement qui détermine la direction que prend le train. Cette partie est généralement composée de deux demi-aiguillages : un demi-aiguillage de droite et un demi-aiguillage de gauche, la position étant donnée lorsque l'on regarde l'appareil de la pointe vers le talon (voir aiguillage). Chaque demi-aiguillage est composé d'une aiguille et d'un contre-aiguille. Les deux aiguilles sont reliées entre-elles au moyen d'une tringle d'écartement qui permet de
connecter les deux aiguilles : lorsque l’une est ouverte, l’autre est plaquée. Les tringles de manœuvre assure la transmission du mouvement du moteur ou de la boite de manœuvre au aiguilles. Il existe trois catégories d'aiguilles :
le branchement simple le croisement, ou traversée simple,(dénommée aiguille fictive) la traversée jonction (qui peut être simple ou double), combinaison des deux précédentes et d'une Traversée Oblique.
Les verrous ou griffes [modifier] Les verrous ou griffes d'aiguilles sont des dispositifs permettant d'immobiliser les pointes d'aiguilles de manière à autoriser des vitesses importantes (plus de 40 km/h) lorsque l'aiguille est franchie en pointe ou sur sa branche déviée. La commande du verrou est très souvent conjuguée à la commande de l'aiguille. Le verrous a deux positions : lancé ou retiré
Les taquets [modifier] Les taquets palient le risque de dérive (mouvement de véhicules non contrôlé) : ils sont utilisés pour protéger des parties de voie (par exemple la sortie d'un embranchement, d'une voie de stationnement). Les taquets sont « dérailleurs » ou « d'arrêt », selon qu'ils sont prévus pour provoquer le déraillement sur un côté de la voie ou bien pour arrêter un mouvement à faible vitesse. Le taquet a deux positions : haut ou bas.
Sur une roue ferroviaire, on distingue la bande de roulement (ou "table" de roulement) qui est en contact avec la surface du haut du rail (le champignon) et le boudin qui assure le guidage en prenant appui sur les faces latérales du champignon.
la bande de roulement est une surface conique (conicité de la roue) et non cylindrique le boudin doit avoir une hauteur limitée pour éviter les appuis intempestifs sur le bord extrême de la roue : sur un profil normalisé il a par exemple 30 mm de hauteur sur 32 mm de largeur.
La géométrie de la bande de roulement et du boudin sont définis dans la norme européenne EN 13715.
Bande de roulement et boudin
Long rail soudé Les longs rails soudés ou LRS, appelés aussi « barres longues », constituent une méthode moderne de pose des voies ferrées qui présente l'intérêt de supprimer la plupart des joints de rails sur des longueurs importantes, souvent de plusieurs kilomètres. C'est la méthode de pose adoptée pour toutes les lignes à fort trafic, et notamment les lignes à grande vitesse.
Historique Depuis les origines du chemin de fer, la dilatation des rails a été source de désagrément pour les exploitants ferroviaires. Comme, de toute façon, la technologie alors disponible ne permettait pas d'avoir de longs rails, ce problème fut résolu en laissant, aux joints entre les rails, un espace suffisant à leur libre dilatation. Une voie posée selon cette méthode est dite en « barres normales ». Cependant, les joints, du fait de cette discontinuité du roulement, entraînent des chocs au passage des roues. Outre l'inconfort ressenti par les passagers, ces chocs entraînent une usure des constituants du joint ainsi que du ballast sous les traverses supportant le joint et nécessitent un entretien très régulier. Les exploitants ont donc toujours cherché une solution pour supprimer les joints. C'est ainsi que, dès les années 1930, fut théorisé le fonctionnement des LRS. Mais les matériaux de l'époque, en particulier les attaches rigides, n'assuraient pas un maintien suffisant et ne permettaint donc pas une mise en œuvre aisée de cette nouvelle technologie. Il fallut attendre la mise au point des attaches élastiques pour reprendre l'expérimentation puis passer à la généralisation du procédé.
Principe de fonctionnement
Appareil de dilatation pour LGV Le libre mouvement du métal en fonction de sa température est bridé par sa fixation ferme aux traverses, elles mêmes ancrées dans le ballast. Les mouvements contrariés du métal se transforment en contraintes de compression (lors de températures élevées) ou de tension (lors de basses températures), qui peuvent atteindre jusqu'à 140 tonnes pour une voie armée de rails de 60 kg/m. Ces contraintes dépendent des variations de températures et de la section du rail, mais sont indépendantes de sa longueur. A l'extrêmité du LRS se trouve une zone ou la libre dilatation du rail n'est plus totalement compensée, la zone de respiration. Les mouvements de l'extrêmité du rail étant supérieurs à ce qu'un joint peut normalement absorber, on y installe des dispositifs de dilatation spéciaux qui permettent aux rails de coulisser, tout en assurant sans hiatus la continuité du roulement.
Avantages et inconvénients Les LRS présentent deux principaux avantages, qui sont la conséquence de la suppression des joints éclissés :
une réduction des coûts d'entretien de la voie , un meilleure qualité de roulement et plus grand confort pour les voyageurs.
Les inconvénients, largement compensés par les avantages, sont :
une technicité plus grande de leur mise en œuvre et de leur entretien, nécessitant un personnel bien formé. un risque de déformation par flambement de la voie sous les contraintes de compression excessives lors de périodes de très fortes chaleurs (mais ce risque existe aussi en barres normales). cette compression sous températures élevées entraîne également des risques de déformations lors de travaux effectués sur les rails, le ballast ou les attaches durant la saison chaude. Pour cette raison, sauf à prendre des précautions particulières comme par exemple une limitation de la vitesse, on n'entreprendra pas de travaux en été sur des voies en LRS. un risque accru par rapport aux barres normales de rupture de rail lors des périodes de grand froid du fait de la tension régnant dans les barres. une utilisation de quantités de ballast plus importantes afin de mieux ancrer les traverses.
On évitera par ailleurs, pour minimiser le risque de déformations de voie, de poser des LRS sur des voies trop sinueuse, ou établies sur des terrains de mauvaise stabilité.
Constitution
Soudure aluminothermique de deux barres de rails soudés
Les barres longues, d'une longueur de 144, 300 ou 400 m selon les pays, sont produites en atelier par la soudure de rails élémentaires de respectivement 18, 36 ou 72 m, 75 ou 100 m, 80 ou 100m. Cette soudure effectuée en atelier fixe ou semi-mobile est faite par étincelage et forgeage ou bien encore par induction et forgeage. Ces barres longues, dont la souplesse autorise le transport sur des rames de wagons plats spécialement équipés d'agrès et goulottes de déchargement, sont ensuite posées et soudées entre elles sur place par soudure alumino-thermique ou soudure électrique. Elles sont fixées aux traverses par l'intermédiaires d'attaches élastiques. Dans le cas de création d'un LRS par soudage des rails d'une voie en barres normales fixées, totalement ou en partie, par des attaches rigides, on installera des dispositifs « anti-cheminant » destinés à s'opposer aux mouvements longitudinaux du rail.
La libération des LRS Pour limiter les contraintes, on devrait idéalement poser les barres longues à une température moyenne entre les extrêmes attendus appelée « température de référence ». Cette températre de référence est , par exemple, en général de 25 °C en France. Pour ce faire, la pose de rails est suivie d'une opération appelée « libération des contraintes » visant à homogénéiser les contraintes à l'intérieur du rail et à le fixer ensuite conformément à la température de référence souhaitée. L'homogénéisation des contraintes est obtenue de la façon suivante :
on détache le rail des traverses, on insère des rouleaux sous le rail afin qu'il puisse librement se déplacer dans le sens longitudinal, on le met en vibration en le frappant à l'aide de masses caoutchoutées prévues à cet effet.
Ensuite, en fonction de la température réelle du rail :
Si elle est proche de la température de référence idéale, on refixe les rails tels quel et l'on soude. (Libération à température naturelle) Si elle est inférieure (cas le plus fréquent car on évite ce type de travaux par temps chaud), les rails sont mis en traction à l'aide de vérins hydrauliques afin de compenser la différence avec la température de référence puis on refixe les rails et l'on soude. (Libération à l'aide de vérins hydrauliques) Si enfin elle est trop élevé, on effectue une libération à température naturelle, mais on devra revenir, lorsque les conditions de températures réelle le permettront, effectuer une nouvelle libération afin d'être conforme à la température de référence idéale. Si cette nouvelle libération n'est pas effectuée à temps, on risque, lors des premiers grands froids suivants, des ruptures du rail dues à de trop fortes contraintes de traction.
Notion de température [modifier] La température dont il est question dans cet article n'est pas la température ambiante, mais celle du métal constituant le rail proprement dit. Celle-ci peut être très différente de la température ambiante. Elle peut par exemple être très élevée lorsque le soleil chauffe la voie alors que l'air ambiant lui même reste doux. De même, par temps froid, la température propre du métal est généralement inférieure à la température ambiante. On mesure cette température soit :
en plaquant un thermomètre sur le patin du rail à l'ombre. en utilisant un thermomètre introduit dans un trou percé dans un coupon de rail de même caractéristiques que le rail contituant le LRS et soumis aux mêmes conditions extérieures.
Calcul des contraintes dans les LRS [modifier] : Section du rail (mm2) : Force thermique dans le rail (N) : Différence de température avec la température d'incorporation (soudure)(°C) : coefficient de dilatation thermique de l'acier (mm/°C/m)
Exemple d’application
Ligne à grande vitesse Une ligne à grande vitesse, ou LGV, est une ligne ferroviaire construite spécialement pour permettre la circulation de trains à grande vitesse (initialement au-dessus de 200 km/h, aujourd'hui à partir de 250 km/h). La première ligne de ce type fut mise en service au Japon en 1964 (voir l'article Shinkansen). En Europe, la première ligne à grande vitesse fut la Direttissima Rome-Florence, mise en service à partir de 1977.
Caractéristiques Technique Les lignes à grande vitesse (LGV) présentent des caractéristiques techniques communes :
Le rayon des courbes est élevé, en fonction des vitesses visées (à la différence des lignes anciennes construites à des époques où 120 km/h était de la grande vitesse). Ce rayon va de 2,5 km (pour la ligne de Shinkansen Tōkaidō ouverte en 1964 à 210 km/h) à 7 km (jusqu'à 10 km sur la LGV Est) pour des lignes récentes ou futures prévues pour des vitesses de l'ordre de 350 km/h. Cette caractéristique est une contrainte.
Le profil (rampes et pentes) peut, si la ligne est spécialisée aux circulations à grande vitesse, être aussi sévère que celui des lignes de montagne. L'énergie cinétique emmagasinée par les trains à grande vitesse et leur puissance massique très élevée leur permet de monter des rampes très fortes sans trop pénaliser leur consommation électrique (et elles permettent d'aller sur l'erre en descente). La LGV Paris-Sud-Est comporte des rampes de 35‰ (traversée du Morvan[1]), sur la LGV Cologne-Francfort elles atteignent 40‰[2]. Cette caractéristique facilite l'insertion des lignes et réduit les coûts de construction.
Elles doivent être à voie normale (1,435 m) ou à voie large. La voie métrique ou étroite ne permet pas d'atteindre 200 km/h en service courant. C'est pourquoi au Japon comme à Taiwan le réseau à grande vitesse devait être distinct du réseau classique. Dans la péninsule ibérique, zone à voies larges, les LGV sont construites ou prévues à l'écartement standard uniquement pour préserver la compatibilité avec le reste de l'Europe.
La voie doit présenter des qualités géométriques et mécaniques très élevées. Pour les voies sur ballast : profil de ballast renforcé, nombre de traverses au km plus important, traverses en béton (mono- ou biblocs) partout, y compris sous les appareils de voie, rail lourd (UIC 60 - U80 aujourd'hui), inclinaison du rail plus importante pour réduire l'amplitude du chariotage (1/40° contre 1/20° sur ligne
classique). Dans plusieurs pays (Japon, Allemagne) l'usage de voies sur dalles de béton se développe, voire se généralise.
L'entraxe des voies doit être augmenté (4,2 à 4,5 m) pour limiter l'effet de souffle au croisement de deux trains.
Les ouvrages d'art nécessitent des calculs adaptés aux vitesses pratiquées. La longueur d'onde du chariotage étant toujours la même, la fréquence des ondulations latérales imposées à la voie peut doubler par rapport à celles atteintes aux vitesses classiques.
Si elles comportent des tunnels, la section de ceux-ci doit être (sur)dimensionnée, en particulier aux extrémités, pour limiter les effets de pression aérodynamique.
Elles sont le plus souvent spécialisées au trafic voyageur et même au trafic à grande vitesse. Le trafic mixte entraîne des contraintes fortes. Le débit possible d'une ligne diminue fortement si y circulent des trains de vitesses très différentes (300 vs. 200 km/h, a fortiori 300 vs. 120-160 km/h). Le croisement de trains à grande vitesse et de trains de marchandises « tout venant » n'est guère envisageable en raison des risques de déstabilisation de chargements par effet de souffle. Aussi les trains de marchandises ne peuvent-ils circuler que pendant les périodes de fermeture au trafic à grande vitesse — la nuit, par exemple. Mais ces périodes sont utilisées pour l'entretien de l'infrastructure. Les fortes rampes limitent beaucoup le tonnage possible des trains de marchandises. Des circulations lentes empêchent d'appliquer à la voie le dévers maximum pour les TGV : pour une même vitesse limite on doit alors prévoir des courbes de plus grand rayon. En conséquence une ligne mixte sera plus coûteuse en ouvrages d'art et plus difficile à insérer dans le paysage. La mixité est souvent limitée à des tronçons particuliers (contournement de Tours sur la LGV Atlantique, futur contournement de Nîmes et Montpellier sur la LGV Méditerranée); ailleurs elle concerne un faible nombre de circulations « lentes » (LGV allemandes ou Paris-Sud-Est).
Elles sont électrifiées. Outre les contraintes d'emport de carburant et de réalimentation, la traction thermique ne permet pas les puissances massiques et les puissances instantanées nécessaires à la grande vitesse. Mise à part la LGV Rome-Florence électrifiée en 3kV continu (comme le reste du réseau italien), les LGV sont électrifiées à tension élevée : 15 kV 16,7 Hz dans les réseaux utilisant ce système (Allemagne, Autriche), 25 kV 50 Hz ou 60 Hz partout ailleurs (même les futures LGV italiennes). Les caténaires sont plus tendues que les caténaires des lignes classiques, afin que la vitesse de propagation de l'onde mécanique (ondulation du fil de contact de la caténaire provoquée par le contact du pantographe) reste supérieure à la vitesse du train. En effet, si le train allait plus vite que l'onde, on aurait une accumulation de la déformation en avant du pantographe qui provoquerait une rupture de la caténaire (phénomène similaire au mur du son).
Elles sont équipées de systèmes de signalisation avec transmission d'informations sol-train (TVM ou Transmission voie-machine, LZB ou Linienzugbeeinflussung, ERTMS,TBL, ...), avec contrôle permanent de la vitesse et affichage des données sur le tableau de bord du conducteur. La grande vitesse ne permet pas l'observation de signaux latéraux au sol en toute sécurité.
Elles sont généralement clôturées pour éviter les intrusions d'animaux. Les passages à niveau sont proscrits et les ponts sont équipés de systèmes de détection pour éviter la chute d'objets sur la voie (DCV - Détecteurs de Chutes de Véhicules) ainsi que de systèmes de surveillances des vents latéraux (DVL Détecteurs de Vents Latéraux). Certaines zones sont aussi équipées d'appareillages de mesures de gel (LGV Est).
Coût Compte-tenu de leurs caractéristiques techniques, la construction de lignes ferroviaires à grande vitesse représente un investissement relativement lourd. Le prix au kilomètre est fonction de divers paramètres :
Relief des zones à traverser Ouvrages d'art à construire, communications à rétablir (routières notamment) Type de ligne envisagé, réservée aux circulations à grande vitesse ou mixte voyageurs / fret Insertion dans le paysage et respect des réglementations locales en matière d'environnement
etc. Début 2007, on estimait le coût moyen à 1,7 milliards d'€uros courants / 100 km, pour une emprise de 40 m (largeur totale) et une plateforme de 14 m, soit environ trois fois le coût de construction d'une autoroute 2×2 voies. Dans certains pays au relief accidenté (Espagne notamment), ce coût moyen peut doubler. Il en est de même lorsque la densité de population est telle que les lignes doivent passer en tunnel sur une longueur importante . L'investissement lourd est semble-t-il compensé si le trafic voyageurs est suffisant. Réseau ferré de France indique sur son site qu'une LGV utilisée à son potentiel maximum par des TGV Duplex équivaut à une autoroute 2×5 voies.
Saut-de-mouton Un saut-de-mouton est un dispositif ferroviaire constitué d'un pont, d'une tranchée ou d'un court tunnel permettant à une voie ferrée d'en croiser une autre en passant par dessus ou par dessous. L'intérêt d'un saut de mouton est de séparer sur deux niveaux (voire plus lors d'installations plus complexes) les flux de circulations ferroviaires.
Croisement à niveau dont le cisaillement a été mis en évidence en rouge et croisement avec saut-de mouton Le terme vient du fait que l'on élève spécialement ou on rabaisse une voie sur une courte distance, uniquement dans le but de la faire passer par dessus une autre. Voilà pourquoi on utilise le terme "saut". On utilise le terme "Mouton" car en général la différence de hauteur entre les deux voies est relativement faible au niveau du croisement. Elle est le plus souvent la hauteur minimale qui permet de faire passer un train et les éventuels caténaires.
Bifurcation à niveau: si un train va du point vert au point bleu, il passe par le point rouge et bloque le passage à tout train venant d'en face (point jaune)
Un saut de mouton peut être utilisé dans différentes situations :
pour permettre le croisement de deux lignes à deux niveaux différents afin que la présence d'un train sur une ligne n'empêche pas un train de circuler sur l'autre ligne (cisaillement).
Bifurcation avec saut-de-mouton
dans une bifurcation, pour une ligne à deux sens et à fort trafic : dans une bifurcation à niveau, si un train emprunte la bifurcation, il bloque automatiquement le passage aux éventuels trains qui viendraient en sens inverse. Le saut-demouton lui permet de résoudre ce problème avec une installation semblable à celle des autoroutes ou voies rapides.
Exemple d'utilisation de saut-de-moutons pour l'accès à des voies de garages aux abords d'une ligne très fréquentée
Aux abords d'une ligne, il peut y avoir des installations (triage, dépôt, garage, ateliers, gare, embranchement particulier) qui se situent sur le côté. Pour accéder à ces installations, il peut être utile de réaliser un saut-de-mouton pour quitter la voie principale et aller vers l'installation.
Saut-de-mouton pour un changement de sens
Lors d'un changement de sens de circulation. Pour les lignes à deux voies et plus, il arrive qu'à la frontière d'un autre réseau, le sens de circulation des trains change car le réseau voisin a un sens de circulation contraire. En Alsace-Moselle, les trains roulent à droite, tandis que dans le reste de la France, ils roulent à gauche. Aux abords de Metz un saut de mouton permet donc de réaliser le changement de sens de circulation des trains.
Saut-de-mouton pour un reclassement des voies
Sur les lignes à 4 voies ou plus, on sépare les flux, en plus de séparer les sens de circulation. Par exemple on isolera les trains rapides sur deux voies et les marchandises sur deux autres voies. La disposition peut varier, et le saut-demouton peut être utilisé pour un reclassement des voies : par exemple une ligne qui a deux voies marchandises au centre, et deux voies rapides aux abords peut grâce à un saut de mouton continuer avec les voies rapides d'un côté et les voies marchandises de l'autre.
Pour faciliter le croissement de voies à caténaire avec des alimentations électriques différentes.
Dans tous les autres cas où éviter un cisaillement est nécessaire pour ne pas gêner les voies principales et pour fluidifier la circulation.
Écartement des rails
L’écartement des rails est la distance séparant le flanc interne des deux files de rails d’une voie ferrée. L’écartement de 1435 mm (4 pieds 8 pouces et demi) est le plus utilisé dans le monde (60 % des lignes). C’est l’écartement standard ou international qui caractérise la « voie normale ». Lorsque l’écartement est supérieur, on parle de voie large, et de voie étroite lorsqu’il est inférieur (voie métrique pour l’écartement de 1 m). Certaines voies sont équipées de trois, voire quatre, files de rails pour permettre la circulation de matériel d’écartements différents. Les points de changement d’écartement créent des ruptures de charge.
Les différents écartements utilisés [modifier] Voici les écartements les plus utilisés. Il y en a des centaines, de 305 mm (Ruislip Lido Railway, au Nord de Londres), jusqu'à 9 m, en Russie, destiné au transport de bateaux [1].
Voie large [modifier]
3 000 mm [modifier]
Allemagne (Deuxième Guerre mondiale), proposition d'un réseau européen à écartement large par le Régime nazi
2 140 mm [modifier]
Great Western Railway, Angleterre (réseau transformé entre 1854 et 1892 à 1 435 mm)
1 945 mm [modifier]
Pays-Bas (1839 - 1864 Railroad Gauge Width)
1 750 mm [modifier]
Cet écartement atypique fut retenu à l'origine par le système Arnoux pour la ligne de Paris (embarcadère de la Barrière d'Enfer, actuelle station Denfert-Rochereau) à Sceaux avec prolongement de Bourg-la-Reine à Limours via Saint-Rémy-lèsChevreuse. Cette ligne, dite ligne de Sceaux et aujourd'hui limitée à Saint-Rémylès-Chevreuse, fut convertie à la voie normale en 1891.
1 676 mm [modifier]
Argentine, Bangladesh, Chili, Inde, Pakistan, Sri Lanka États-Unis (BART - Bay Area Rapid Transit - Région de San Francisco Bay)
1 668 mm [modifier]
Espagne, Portugal
1 600 mm [modifier]
Australie Brésil République d'Irlande Irlande du Nord
1 524 mm [modifier]
Finlande
Changement des bogies d'une voiture à Brest à la frontière entre la Pologne (voie normale 1 435 mm) et la Biélorussie (voie large 1 524 mm)
1520 mm [modifier]
Ex-Union soviétique : Arménie, Azerbaïdjan, Biélorussie, Estonie, Géorgie, Kazakhstan, Kirghizistan, Lettonie, Lituanie, Moldavie, Ouzbékistan, Russie, Tadjikistan, Turkménistan, Ukraine ; Mongolie, Pologne (ligne LHS, 395 km).
Voie normale [modifier]
1 435 mm (écartement standard UIC)
Albanie, Algérie, Allemagne, Argentine, Australie, Autriche, Belgique, BosnieHerzégovine, Bulgarie, Canada, Chine, Corée, Croatie, Danemark, Égypte, ÉtatsUnis, France, Grèce, Hongrie, Iran, Irak, Italie, Liban, Luxembourg, Macédoine, Maroc, Mexique, Monténégro, Norvège, Pays-Bas, Pérou, Pologne, Roumanie, Royaume-Uni, Serbie, Slovaquie, Slovénie, Suède, Suisse, Syrie, République tchèque, Tunisie, Turquie Lignes à grande vitesse : Espagne (AVE), Japon (Shinkansen) Afrique du Sud (en projet pour le Gautrain)
Voie métrique
1 067 mm
Afrique du Sud, Costa Rica, Honduras, Indonésie, Japon (sauf Shinkansen), Île de Sakhaline (Russie), Tanzanie (TAZARA), Zambie, Zimbabwe Australie, (Queensland, Tasmanie, Australie-Occidentale) Canada, (Nouveau-Brunswick jusqu'aux années 1880, Terre-Neuve jusqu'à septembre 1988 et Île-du-Prince-Édouard jusqu'à 1930, voie normale jusqu'à la voie est abandonnée, voir Canada).
1 055 mm
Algérie
1 050 mm
Jordanie
1 000 mm [modifier]
Argentine Bolivie Brésil Chili
Cameroun Kenya Ouganda Tanzanie (sauf TAZARA) Viêt Nam Réseaux secondaires en Europe (France, Suisse, Espagne…) Quelques lignes en Italie, pays où est beaucoup plus utilisé le 950 mm.
950 mm [modifier]
Italie et ses anciennes colonies
914 mm [modifier]
Canada, White Pass and Yukon Route Official company website White Pass and Yukon Route Colombie États-Unis (dans l'État de Colorado) Cumbres and Toltec Scenic Railroad Guatemala Pérou Nauru
Voie industrielle, appelée aussi voie étroite [modifier]
900 mm (Mines dans l'Est de la France, tramways de Linz) 760 mm (Il existe, notamment en Autriche, des lignes 760 mm pour le transport de voyageurs.) 700 mm (quelques réseaux, dont le Chemin de fer touristique d'Abreschviller) 610 mm (voir chemin de fer de Nauru) 600 mm (Très répandu, appelé Decauville mais produit par bien d'autres) 580 mm (Houillères de Messeix et quelques réseaux miniers) 560 mm (Mines d'Escaro) 500 mm (Un autre écartement répandu avec celui de 600 mm) 400 mm (écartement horticole et maraîcher) 380 mm (quelques réseaux, dont le Chemin de fer Touristique d'Anse)
Les écartements utilisés dans le monde
Écartement majoritaire par pays
Europe En Europe, la plupart des réseaux principaux sont à voie normale (écartement standard de 1 435 mm), sauf un certain nombre de territoires périphériques. La Russie a opté pour la voie large au XIXe siècle. On estime généralement que ce choix fut motivé par des raisons militaires, pour prévenir l’utilisation du réseau ferroviaire par d’éventuels envahisseurs. Certains font remarquer qu’aucune norme ne s’était encore imposée en 1842 quand le tsar Nicolas II engagea George Washington Whistler, éminent ingénieur ferroviaire américain, pour construire la ligne la plus importante en Russie, celle qui relie Moscou à Saint-Pétersbourg. Le choix de l’écartement de 5 pieds était cohérent avec l’usage en vigueur à l’époque dans les États du Sud des États-Unis. La Russie et la plupart des États qui se sont trouvés dans l’ancien empire russe, dont les États baltes, la Finlande, l’Ukraine, la Biélorussie, les républiques du Caucase et d’Asie centrale, ainsi que la Mongolie sont actuellement à l’écartement de 5 pieds (1 524 mm) ; bien que la norme russe officielle soit de 1 520 mm, la compatibilité est assurée en pratique. Les pays ibériques (Espagne et Portugal) ont adopté l’écartement large de 5 pieds 5 pouces et demi. La norme officielle en Espagne était exactement de 1 674 mm, tandis qu’au Portugal elle était de 1 664 mm. Cependant la compatibilité des deux réseaux est assurée par la conception étudiée du matériel roulant et des équipements, et dans les années '80 on a progressivement unifié l'écartement à 1668 mm. Son entrée dans l’Union européenne a conduit l’Espagne à adopter un plan de reconversion de l’écartement du réseau ferré. Les lignes à grande vitesse AVE, y compris la ligne Madrid - Séville ouverte en 1991 et la ligne en voie d’achèvement Madrid - Barcelone, sont à voie normale. Pour
faciliter la conversion de la voie large à la voie normale, des tronçons à double écartement ont été construits. Aucune date a encore été fixée pour la conversion totale du réseau, bien que des projets sont en train d'être étudiés. L’Irlande, et l’Irlande du Nord, sont à l’écartement large de 1 600 mm. L’Union européenne a lancé un programme en faveur de l’interopérabilité ferroviaire qui vise à harmoniser non seulement l’écartement des rails, mais aussi d’autres normes ferroviaires, telles que la signalisation et l’électrification. Des financements communautaires sont consacrés à la conversion de lignes situées dans les États baltes (Lituanie, Lettonie et Estonie) de l’écartement russe à l’écartement standard, ainsi qu’à la construction en Espagne et au Portugal de lignes complémentaires au réseau à grande vitesse. Elle favorise aussi l’interconnexion des réseaux ibériques avec le reste de l’Europe. Les réseaux secondaires sont souvent à voie métrique (écartement normalement de 1 000). C’est le cas des dernières lignes en exploitation du réseau secondaire français (comme le Blanc-Argent, la ligne des Chemins de fer de Provence, la ligne de Cerdagne et la ligne Saint-Gervais-Vallorcine pour ne citer que les plus connues de France). C’est le cas aussi de bon nombre de chemins de fer de montagne, notamment en Suisse.
Amérique du Nord Aux États-Unis, au Mexique et au Canada, les écartements de rails utilisés à l’origine étaient fort divers. Certaines compagnies, surtout dans le Nord-Est, se sont mises au standard britannique, mais ce n’était pas une généralité et certains utilisaient des écartements larges, jusqu’à 6 pieds. Étant donné que l’indépendance par rapport au Royaume-Uni était encore récente, les arguments relatifs à la norme anglaise avaient peu de poids. L’écartement standard s’est cependant généralisé, quand la nécessité d’interconnecter les réseaux à fait apparaître les inconvénients de la situation. La plupart des États du Sud avaient cependant opté pour l’écartement de 5 pieds. Après la guerre de Sécession, le commerce entre le Nord et le Sud s’est beaucoup développé et cette différence d’écartement devint un handicap trop lourd. Il fallut de longs débats et beaucoup de temps pour aboutir à une première conversion du réseau sudiste à l’écartement de 4 pieds 9 pouces (soit 1 448 mm), qui était alors la norme sur le réseau de Pennsylvanie (Pennsylvania Railroad). Elle fut réalisée en deux jours à partir du 31 mai 1886. La conversion finale vers l’écartement standard se fit par la suite, progressivement au gré des opérations d’entretien. À Toronto, Canada, le métro local (Toronto Transit Commission) utilise un écartement particulier, 4 pieds 10 pouces 7/8 (soit 1 495,42 mm), de sorte que ce réseau est incompatible avec tous les autres systèmes de transport de la région. Le BART (Bay Area Rapid Transit) de San Francisco a choisi, quant à lui, un écartement de 5 pieds 6 pouces (1 676 mm, soit le même qu'en Inde ou Amérique du Sud).
Asie Les chemins de fer japonais ont été construits à l’écartement de 1 067 mm (3 pieds 6 pouces). Les lignes à grande vitesse (Shinkansen) ont été réalisées dès l’origine à l’écartement normal de 1 435 mm qui permet d’offrir une meilleure stabilité. Cela a rendu plus délicate l’intégration de la grande vitesse et des services voyageurs du réseau classique (au contraire du TGV qui peut desservir des gares hors lignes nouvelles). À Taiwan, qui fut sous domination japonaise de 1895 à 1945, il existe plusieurs lignes à l’écartement de 1 067 mm. La ligne à grande vitesse HSR a cependant été construite elle aussi à écartement normal. Les chemins de fer du Sud-Est asiatique, dont le Viêt Nam, le Cambodge, le Laos, la Thaïlande, la Birmanie, et la Malaisie, sont principalement à l’écartement métrique (1 000 mm). L'Indonésie a un écartement de 3 pieds 6 pouces (1 067 mm). Le projet de réseau régional ASEAN, destiné à relier Singapour, à la pointe sud de la péninsule malaise, au réseau chinois à voie normale, via la Malaisie, la Thaïlande, le Laos et le Viêt Nam, devrait être à voie normale, ou à double écartement (voie métrique / voie normale). L’Inde, le Pakistan, le Bangladesh et Sri Lanka, anciennes colonies britanniques, ont hérité au moment de leur indépendance d’une grande variété d’écartements, parmi lesquels l’écartement large de 1 676 mm prédominait. Les chemins de fer indiens ont adopté un projet d’uniformisation, qui vise à convertir systématiquement à la norme de 1 676 mm la plupart des voies à écartement inférieur. L’Afghanistan est dans une situation intéressante : situé à un carrefour de l’Asie, ce pays est quasiment vide de chemin de fer. S’il décidait de construire un réseau ferré, le choix de l’écartement serait un vrai casse-tête. Le pays est en effet entouré par quatre « continents » ferroviaires utilisant trois écartements différents : 1 435 mm, 1 520 mm et 1 676 mm. L’Iran à l’Ouest, comme la Chine à l’Est sont à l’écartement normal ; au Sud, le Pakistan utilise l’écartement large de 1 676 mm, tandis qu’au Nord, les républiques d’Asie centrale (Turkménistan, Ouzbékistan et Tadjikistan) sont à l’écartement russe de 1 520 mm.
Australie [modifier] Le réseau ferré australien est partagé en trois écartements différents du seul fait de l’incohérence de décisions politiques. Au XIXe siècle, les trois États principaux à l’époque de l’Australie adoptèrent une norme unique, à savoir l’écartement standard de 4 pieds 8 pouces et demi (1 435 mm). Mais au bout de 30 ans, il fut décidé une conversion générale à l’écartement large de 5 pieds 3 pouces, puis la Nouvelle-Galles du Sud fit marche arrière et revint à l’écartement
standard, tandis que l’État de Victoria et l’Australie-Méridionale restèrent à l’écartement large (1 600 mm). Par la suite le Queensland, la Tasmanie, et en partie l’Australie-Occidentale, adoptèrent la voie étroite à écartement de 3 pieds 6 pouces (1 067 mm), pour faire des économies d’investissement.
Légende urbaine Une légende urbaine affirme que la dimension de la navette spatiale américaine est directement lié à l'écartement des voies en raison de prétendues contraintes sur la voie amenant à la base de lancement. Ce n'est qu'une légende urbaine, il n'y a par exemple aucun tunnel sur une voie menant à la base spatiale. Cette légende affirme en outre que l’écartement des rails dérive des chemins d’ornières formés dans les voies dallées par le passage des chariots et chars de combat utilisés à l’époque de la Rome impériale. Chaque véhicule était forcé de suivre ces traces pour préserver ses roues, et Jules César aurait fait imposer cette largeur par la Loi de manière que tout véhicule puisse traverser les cités romaines sans être gêné par des écartements différents. Cependant, on peut penser que cette uniformisation tient probablement de la coïncidence. Les fouilles des villes ensevelies de Pompéi et Herculanum ont mis au jour de profondes ornières creusées dans les dalles d’une largeur moyenne de 1 448 mm de centre à centre, avec un écartement intérieur moyen de 1 372 mm. Les constructeurs de chariots, puis plus tard des premiers wagons, furent confrontés au même problème, quand ils durent concevoir des véhicules à roues tractés par des animaux.
