La circulaire 2000-63 relative à la sécurité dans les tunnels routiers fixe 4 exigences de tenue au feu qui diffèrent selon les ouvrages, leurs réseaux et les équipements installés. Pour les réseaux secs permettant le cheminement des câbles de distribution électrique et des câbles de transmissions de données, le niveau requis est le plus élevé, à savoir le niveau N3 correspondant à une tenue au feu CN 240 HCM 120.

En partie courante, ces cheminements sont protégés par l’épaisseur de béton situé au dessus de la nappe supérieure des fourreaux (environ 20 cm).

La protection thermique au niveau des chambres de tirage, généralement espacées de 50 à 100 m, pose problème.
Cet article retrace les diverses solutions appliquées depuis quelques années et la démarche engagée par EGIS Tunnels – MECATISS – APRR pour le développement d’une protection thermique avec la vérification du maintien des fonctionnalités des divers réseaux transitants dans la chambre de tirage.

Depuis l’année 2000 et suite à la catastrophe du tunnel du Mont Blanc en 1999, une circulaire interministérielle relative à la sécurité dans les tunnels du réseau routier national s’impose dans la réalisation des ouvrages souterrains.

Cette règlementation fixe plusieurs objectifs fondamentaux résumés ci-après :

Pour certains de ces points des solutions ont été rapidement adoptées (2.1, 2.2 & 3.1 à 3.4) ; pour la protection et l’évacuation des usagers (2.1) des fabricants de portes ont développé et fait certifier des matériels.

Pour les autres points, la mise en oeuvre d’équipements dynamiques permet de répondre à ces objectifs. Ceci nécessite des alimentations électriques ainsi que des modes de commandes et contrôles gérés à distance.

Suivant le système et la fonctionnalité à assurer, deux grands types de réseaux sont à prendre en compte :

• Les réseaux principaux :

• Les réseaux secondaires :

- Alimentations électriques des équipements locaux (caméra, panneau de signalisation, éclairage des diverses niches de sécurité et incendie, …)

- Liaison de contrôle / commande des équipements locaux (signalisation de fermeture, détection d’ouverture de porte, …)

Ces derniers réseaux sont moins importants que les autres car les équipements qu’ils desservent, en cas d’incendie à proximité de ceux-ci, seraient détruits.

Quelque soit le type du réseau, ceux-ci transitent généralement sous fourreaux, multi-alvéolaires, noyés dans le corps des trottoirs.

Des regards ou chambres de tirage-dérivation permettent la mise en place des câbles à l’intérieur des fourreaux. Ces dispositifs sont espacés d’environ 75 m les unes des autres et représentent autant de points particuliers et l’objectif 3.1 « Stabilité et résistance au feu » est donc fondamental.

De plus cette réglementation s’impose alors que sur le marché aucun matériel ne correspond à celle-ci.

Face à ce vide technique, EGIS Tunnels, qui souhaite toujours pouvoir répondre au mieux aux exigences règlementaires, a rapidement compris les enjeux liés à cette problématique :

• Le risque encouru pour les usagers de ne pouvoir utiliser les divers systèmes de déclenchement d’alerte et/ou de communication

• Le risque pour les exploitants de ne pouvoir détecter un incident ou un incendie, et ne pas pouvoir agir en conséquence.

• Le risque pour le service de secours de ne pouvoir disposer d’une ventilation / désenfumage permettant de traiter au mieux l’incendie.

• Le risque d’engager la responsabilité des divers intervenants si lors de travaux (neuf ou rénovation), aucune disposition n’est prise pour assurer le maintien des fonctionnalités des divers réseaux. Pour se prémunir contre ce risque, l’emploi de matériaux ou matériels agréés est à privilégier.

Mais d’autres contraintes impliquent des solutions techniques spécifiquement adaptées pour la réalisation des tampons de fermeture des chambres de tirage.
Les autres contraintes pour ces dispositifs de fermeture sont les suivantes :

• L'étanchéité relative pour minimiser, autant que faire se peut, la pénétration des liquides et des corps solides de petite taille

Ces différents types de fermeture ont été largement employées jusqu’à la parution de la circulaire.

Relativement lourds et mal-commodes à manoeuvrer, ces tampons s'avèrent, de plus, très fragiles après quelques mois d'exploitation : le moindre choc peut générer un éclat de béton.
Si des échancrures équipées de "clous" de levage n’ont pas été ménagées pour la manutention, il faut glisser dans l'interstice des dalles un pied-de-biche pour ouvrir le tampon. Ce faisant, il s'avère difficile de maintenir le tampon en bon état.

Lorsque plusieurs couvercles de ce type sont utilisés pour assurer la fermeture d’une même chambre, il est très difficile d'insérer le dernier élément de couverture car les interstices sont obstrués. En outre, le moindre débris ou gravois dans la feuillure ne permet pas de respecter le plan de pose ni d'assurer l'étanchéité (une portée plane). Les opérations de nettoyage de l’ouvrage ainsi que les amenées d’eau par la circulation automobile contribuent à colmater les interstices.
La résistance thermique des dalles de couverture avec feuillure est relativement faible (± CN 60).

Ce type de tampon de fermeture procure la moins bonne tenue dans le temps. Par conséquent, il doit être réservé à une utilisation à l’intérieur de locaux techniques situés hors tunnel si aucune autre solution ne peut être envisagée.

Par rapport à leurs homologues sans feuillure en profilé acier, elles résistent bien mieux aux chocs.

Par contre, elles ont les mêmes inconvénients après quelques années d'exploitation (colmatage des interstices périphériques) que les modèles sans feuillure.

Un autre problème a été relevé. Les feuillures en acier exposées à l'agressivité du milieu souterrain, confiné, se corrodent facilement. L’épaisseur d'origine d’une pièce en acier galvanisé à chaud étant nettement inférieure à celle d’une pièce identique complètement oxydée ; le gonflement par enrouillement du subjectile (acier en l'occurrence) engendre des déformations et efforts de compression inter-dalles.

Il résulte de ces déformations que des tampons complètement bloqués par auto-scellement sont impossibles à ouvrir. Dans une telle éventualité, il s'avère nécessaire de démolir le tampon en cause à la masse ou au marteau-piqueur, avec le risque de blesser les câbles situés en dessous par la chute d’un morceau du tampon.

La résistance thermique des tampons de fermeture avec feuillure acier est moyenne.

Ce type de tampon vieillit donc relativement mal.

Toutefois, une amélioration possible consisterait à utiliser des profilés en acier inoxydable en lieu et place de pièces en acier galvanisé. Cette solution augmenterait sensiblement le coût de premier investissement. Par ailleurs, la taille et le poids unitaire de ces tampons doivent être limités pour leur conférer une meilleure maniabilité.

En principe utilisés pour obturer des chambres de faibles dimensions, ils sont constitués d’une plaque pleine, de 15 à 20 mm d’épaisseur, éventuellement équipée de raidisseurs soudés en sous-face. Une tôle antidérapante striée, type "larmée", soudée sur la face circulée par des piétons en général, permet de rendre la dalle moins glissante.

D’un poids raisonnable, généralement inférieur à 30 kg, donc assez facilement manoeuvrables, ils peuvent être pourvus de réservations pour le passage d’un outil de manutention ou de poignées rétractables à l'intérieur de la chambre de tirage.

Relativement insensibles aux chocs, ils semblent présenter une bonne résistance dans le temps. La facilité du procédé de leur fabrication permet un réapprovisionnement ultérieur. Les tampons de fermeture type tout acier offrent une bonne résistance mécanique, vis à vis des charges, qui peut facilement être déterminée par calculs de résistance des matériaux.
D’un emploi relativement récent (environ 10 ans d'exploitation), les problèmes de colmatage des interstices ou de gonflement des tampons tout acier dû à la corrosion n’ont pas encore été constatés à ce jour.

La résistance thermique des tampons de fermeture tout acier est quasi nulle.

Ne répondant pas aux contraintes thermiques, ce type de tampon tout acier ne peut être utilisé qu’à l’intérieur de tunnels courts n’entrant pas dans le cadre de la Circulaire interministérielle n° 2000-63, et dans lesquels les réseaux qui transitent ne présentent pas une sensibilité importante.

Jusqu’à présent, diverses méthodes de protection thermique ont été adoptées de manière empirique, et à chaque ouvrage sa façon, sans qu’aucun test n'ait permis de valider l’une ou l’autre des solutions techniques mises en oeuvre.

Même dans le cas où des bouchons auraient été installés, cette technique est très contraignante pour l’exploitant car elle oblige à vider soigneusement les chambres de tirage avant toute intervention, de mettre en dépôt provisoire et protégé les granulats de Vermiculite, de bien remettre les bouchons en place avant de remplir à nouveau les chambres de tirage avec les granulats.

De plus, ces granulats obstruent les drainages des chambres, lesquelles risquent d’être rapidement emplies d’eau polluée par des hydrocarbures.

La solution type « Toulon » n’a pas fait l’objet d’une procédure d’agrément.

Lors des travaux de rénovation du tube Nord du tunnel de Chamoise, le réseau de fourreaux en trottoir a entièrement été refait à neuf. Toutes les chambres de tirage ont été munies de tampons de fermeture en fonte permettant d’assurer la tenue mécanique. Par ailleurs, des montages de diverses protections ont été mis en place.

Prototypes 2004
Dans le tube Nord du tunnel de Chamoise sur l'autoroute A40, trois essais de protection au feu ont été réalisés :

Lors du congrès de l’AFTES de 2005 qui a eu lieu à Chambéry, les représentants de EGIS Tunnels (alors dénommée SCETAUROUTE DTTS) ont fait la connaissance de l’entreprise MECATISS, spécialisée dans le développement de produits de protection contre le feu.

Un stand présentait ses divers produits. Les principales applications et références de cette entreprise sont réalisées dans le domaine nucléaire.

Le premier contact établi lors de ce congrès a permis d’envisager une collaboration pour mettre en oeuvre une protection contre le feu au niveau des chambres de tirage de câbles.

La démarche méthodologique proposée par EGIS Tunnels à la société MECATISS, pour étudier la problématique de la protection thermique, consiste à :

• Réaliser les essais et tests de comportement d’un matériau ignifuge de la gamme MECATISS soumis à un feu, de type HCM (hydrocarbures majorée), dans une application en chambre de tirage ;

• Vérifier la continuité de fonctionnement et de service des réseaux ainsi protégés transitant à l'intérieur d'une chambre de tirage.

Pour cela, la colaboration de ces deux entités devait permettre :

• De formuler les contraintes règlementaires et les besoins des services de construction et d’exploitation d’ouvrages souterrains ;

• De promouvoir ce développement auprès d’un client afin de l’amener à participer financièrement à cette opération ; ce qui a conduit à estimer les coûts et à s’assurer que le budget du client soit respecté ;

Issu des exigences de l’instruction technique 2000-63, le respect du degré de protection de N3 au niveau des chambres de tirages par diverses solutions techniques n’a jamais fait l’objet d’une validation par un essai en laboratoire.

La plupart des intervenants dans le monde des tunnels (maîtres d’ouvrages, maîtres d’oeuvres, entrepreneurs, fournisseurs) négligent cette problématique ou la traite de façon empirique.

Cette démarche présente plusieurs intérêts différents selon les entreprises participant à ce développement :

• Techniquement, avoir une position d’avant-garde sur la concurrence ;

• Juridiquement, permettre de répondre aux exigences réglementaires et ainsi protéger la société en cas de mise en cause suite à un sinistre ;

• Commercialement, présenter à de futurs clients l’aspect innovant et de recherche engagé.

Pour arriver à finaliser cette démarche, EGIS TUNNELS se doit d’impliquer un MOA permettant une perspective commerciale au fournisseur MECATISS mais aussi une approbation par un service d’exploitation.

La stratégie pour aboutir à une solution technique doit permettre à chacun des participants d’obtenir un gain sur son positionnement :

• Pour EGIS TUNNELS, obtenir une notoriété supplémentaire dans son domaine ;

• Pour le fournisseur, obtenir des parts de marchés dans un nouveau domaine, assister techniquement les MOA et MOE ; développer son expertise et ses produits dans le segment du transport.

• Pour un MOA, résoudre la problématique de protection au feu des chambres de tirage.

La Circulaire interministérielle n° 2000-63 définit plusieurs degrés de résistance au feu suivant la criticité d’exploitation des é quipements à maintenir en état de fonctionnement en cas d’incendie. Par ailleurs, le Centre d’Etude des Tunnels (CETU) a édité des Guides techniques pour permettre aux maîtres d’ouvrage et aux maîtres d’oeuvre de mieux déterminer quels sont les réseaux à protéger contre les effets thermiques.

« Le présent texte fixe les exigences de résistance au feu minimales pour assurer la sécurité des personnes, y compris celle des services de secours pendant leur intervention. Le maître d’ouvrage peut retenir des niveaux de résistance plus élevés dans le but d’assurer une meilleure protection du tunnel et de limiter les réparations et la durée de fermeture après un incendie. »

« Deux courbes température-temps seront utilisées selon les cas pour la justification de la résistance au feu des structures et de certains équipements. »

« Les incendies à montée en température relativement lente, mais le cas échéant de longue durée, seront caractérisés par la courbe température-temps normalisée définie à l'annexe XI de l'arrêté du 3 août 1999 (courbe identique à celle de la norme ISO 834). Les exigences de résistance vis à vis de cette courbe sont exprimées dans la suite du présent texte par les lettres CN suivies de la durée de résistance en minutes (par exemple CN 120 signifie justification avec la courbe normalisée pendant 120 minutes). »

« Un incendie de poids lourd peut présenter une montée en température beaucoup plus rapide que cette courbe, tout particulièrement s’il implique des marchandises très combustibles et liquides ou facilement liquéfiables, même si elles ne sont pas classées comme dangereuses pour le transport. De tels feux seront caractérisés par une courbe dite " de feu d'hydrocarbures majorée" qui atteint 1200°C en moins de dix minutes et 1300 C environ vingt minutes plus tard (…) »

« Les exigences de résistance vis à vis de cette courbe sont exprimées dans la suite par les lettres HCM suivies de la durée de résistance en minutes. »

« Lorsque deux durées correspondant à deux courbes température-temps différentes sont spécifiées, la justification sera faite indépendamment avec chaque courbe pendant la durée spécifiée pour celle-ci (par exemple CN 240 HCM 120 signifie deux justifications séparées, l’une avec la courbe normalisée pendant 240 minutes, l’autre avec la courbe de feu d’hydrocarbures majorée pendant 120 minutes). »

• maintenir l’alimentation électrique et les communications de part et d’autre du foyer pendant la durée maximale d’incendie, (…) »

Niveau N0
« Ce niveau correspond à la vérification de l’absence de risque d’effondrement en chaîne en cas de rupture locale : la perte d’un élément ne doit pas entraîner un report de charge sur d’autres parties de la structure, susceptible de provoquer leur rupture (…) »

« Ce niveau constitue l’exigence minimale à laquelle doit satisfaire toute structure. Elle doit être vérifiée pendant l’incendie et après celui-ci pendant le refroidissement. Les structures répondant aux niveaux de résistance plus élevés décrits ci-après doivent aussi répondre à cette exigence.»

« Il est indispensable de maintenir au droit d’un incendie la continuité de l’alimentation électrique et des télétransmissions. » « Les artères principales assurant l’interconnexion entre postes d’alimentation électrique, ainsi que les câbles de télétransmissions, devront être protégés des effets directs du feu par un cheminement dans des fourreaux noyés dans le trottoir ou la chaussée, dans des caniveaux ou en gaine technique, avec une protection au feu complémentaire si nécessaire, de telle sorte qu’ils puissent fonctionner dans des conditions de niveau N3 (…) ».

« L’instruction technique annexée à la Circulaire interministérielle n° 2000-63 exige que la continuité des artères principales assurant l’interconnexion entre postes d’alimentation é lectrique et des télétransmissions (communication, télécommandes, capteurs, etc.) soit assurée au droit de l’incendie, et ce pour une sollicitation thermique de niveau N3 (…)»

D'emblée EGIS TUNNELS a donc préféré ne retenir que les exploitants d’ouvrages situés sur les autoroutes concédées.

APRR a été informé que le développement des produits MECATISS, pour une application aux tunnels, sous la conduite d’EGIS TUNNELS nécessitait un investissement et une recherche de partenariat et un accord de principe a rapidement eu lieu.

Dans le même temps, MECATISS a établi :

• Un budget pour réalisation des essais dans leur station d'essais situé dans leur usine de Morestel.

• Une estimation du coût du développement de ses produits à une application « tunnel » ;

Une offre pour la fourniture d’une protection thermique de chambre de tirage.
Au vu des montants financiers annoncés, APRR s’est déclaré prêt à prendre à sa charge la moitié des frais à engager pour les essais. Elle nous a également informés que le montage d’un partenariat avec plusieurs maîtres d’ouvrages ne serait pas facile à réaliser et surtout qu'il serait long à finaliser. Le programme de rénovation de ses tunnels (dont celui de Chamoise) étant en cours, APRR souhaitait trouver une solution rapide. MECATISS a pris en charge les coûts complémentaires par leurs activités de recherche et développement.
Durant la période des travaux de rénovation du tunnel de Chamoise, aucune entreprise n’a été en mesure de proposer une solution répondant aux diverses exigences techniques.
Les divers échanges avec MECATISS n’ayant démarré qu’à l’automne 2005, il n’était pas alors envisageable d'effectuer toutes les démarches avant la remise en service de l’ouvrage.

Dans la majorité des cas, en raison des largeurs différentes des trottoirs, de la présence des réseaux humides, du profil général de l’ouvrage, etc., les chambres de tirage en tunnel n’ont pas de dimensions identiques d’un ouvrage à l’autre.
La fermeture des chambres est en majorité réalisée jusqu’à présent au moyen de tampons en béton réalisés à façon, sur mesure, pour chaque ouvrage.
Par ailleurs, une préoccupation constante d’EGIS TUNNELS concerne la maniabilité, la flexibilité des divers éléments constituant la fermeture d’une chambre de tirage. Ceci milite en faveur de tampons en fonte, de type standard, permettant d'assurer :

• la mise en oeuvre de produits courants, du commerce,

• la standardisation des chambres de tirage pour un ouvrage déterminé,

les autres contraintes citées au paragraphe 1 de cet article (i.e. résistance mécanique, étanchéité, maniabilité) Toutefois, l'emploi de tampon fonte, standard, ne permet pas de satisfaire les exigences de la 1ere contrainte relative à la résistance thermique. Pour cette contrainte, l’emploi d’un produit ignifugeant de la gamme MECATISS, le MPF 2000, ayant fait l’objet d’agrément dans d’autres cas d’utilisation, devrait permettre d’atteindre les niveaux d’exigences demandés.

Les essais menés dans le laboratoire de l’entreprise ne sont pas uniquement destinés à caractériser le niveau de température atteint dans une chambre de tirage soumise à un feu de type HCM 120, mais ils doivent aussi permettre de vérifier que les réseaux transitants dans cette chambre de tirage sont toujours opérationnels.

Les principaux réseaux sont les suivants :

• Alimentation électrique basse tension (230 à 700 Volts)

• Télétransmission d’informations liées à la GTC (Gestion technique centralisée) : télécommandes, télésurveillance ou télécontrôle, consignes variables, mesures variables

• Réseaux de transmissions de données (analogique pour la vidéo et numérique pour la GTC)

Ces divers systèmes utilisent des câbles de nature et de caractéristiques différentes et adaptées permettant d’assurer un niveau de fonctionnement et de qualité de service élevé (sûreté, disponibilité, etc.).

Une procédure de montage en plateforme d'essai d’une chambre de tirage a été rédigée par l'entreprise MECATISS en collaboration avec EGIS Tunnels.

Elle permet de réaliser des essais pour vérifier le maintien des fonctionnalités des divers réseaux transitant dans la chambre de tirage. Les résultats relevés par l'entreprise MECATISS seront validés par EGIS Tunnels.

EGIS Tunnels a fourni un schéma type représentant la pose des divers câbles en fonction de leurs caractéristiques techniques et leurs destinations. MECATISS a ensuite établi le plan en situation dans son four d'essai (voir schéma ci-après).

Un ensemble de thermocouples permettra de relever la température en divers points de l’intérieur de la chambre de tirage soumise aux essais de comportement thermique :

• Un premier ensemble sera installé sous le tampon de fermeture

• Un deuxième ensemble sera installé dans la chambre de tirage, au niveau des câbles transitant dans cette dernière

• Un troisième ensemble relèvera la température " ambiante" à l'intérieur de la chambre de tirage Les schémas ci-après répertorient les diverses positions des thermocouples (points rouges et oranges) :

Soucieuse de garantir une meilleure sécurité des personnes sur l’ensemble de son réseau, APRR s’est associée à Egis Tunnels et Mécatiss pour répondre à deux exigences en matière de protection au feu.

La première exigence est la sécurité des personnes dans les tunnels (circulaire 2000-63). Dans le cadre du programme de rénovation et de sécurisation des Tunnels de l’autoroute A40 (Chamoise, Saint Germain et Châtillon) et pour répondre aux exigences de la circulaire, APRR a cherché à mettre en place une protection au feu des chambres de tirages (cf. article).

La deuxième exigence est de mettre une protection au feu des réseaux de fibre optique le long de la section courante et notamment sur les chambres de tirage des refuges. En effet, lors d’un incendie de poids lourd, la montée en température peut entrainer la destruction des réseaux. Aussi, afin d’éviter cette destruction et d’assurer leur continuité de service, APRR a souhaité renforcer la protection au feu des chambres de tirages.

C’est pourquoi depuis ces trois dernières années, APRR participe avec Egis Tunnels et Mécatiss au développement d’une solution technique appropriée. En tant que maître d’ouvrage, elle a mis a profit son expérience et a défini le cahier des charges avec toutes les contraintes d’exploitation. Egis Tunnel a joué un rôle de conseil et coordonateur technique, Mécatiss a apporté un matériau efficace répondant au besoin et déjà éprouvé dans d’autres domaines (notamment le nucléaire).

Les essais "industriel" ont été réalisés en fin d’année 2007.

En résumé, les éléments suivants sont relevés.

Essais n°1 – HCM 2h (tampon fonte + protection thermique)
Certains câbles de réseaux secondaires (type télécommandes / télécontrôles locaux, alimentations électriques locales, vidéo surveillance locale) sont détruits dans une période comprise entre 75 et 90 minutes après le début de l’essai.
Les réseaux principaux (alimentations électriques de puissance, fibre optique) restent en service.
Après environ 90 minutes d’essai, le tampon en fonte est complètement détruit et amène une contrainte supplémentaire sur la protection thermique.
Cet essai est toutefois concluant.

Essais n°2 – CN 4h (tampon fonte + protection thermique)
Tous les câbles sont restés en service. Le tampon en fonte ne s’est pas détérioré de manière significative. Cet essai est très concluant comme le montre les relévés de températures suivants : 07 ED 0008 - Courbe HCM

Compte-tenu des résultats obtenus lors des essais 1 et 2, une adaptation avec remplacement des tampons en fonte par des trappes à remplissage en fonte, à remplir avec un mortier « basique » a été soumise pour mener l’essai suivant.

Essais n°3 – HCM 2h (trappe à remplissage + protection thermique)
Tous les câbles sont restés en service, les températures relevées dans la chambre de tirage sont inférieures d’environ 600 °C, sous la trappe, à celles observées lors de l’essai n° 1 sous le tampon en fonte.

Cet essai est très concluant et c’est cette solution qui sera retenue pour un passage en laboratoire agréé.

Le produit de MECATISS ainsi constitué fait l'objet d'un brevet déposé en 2007. MECATISS est le seul propriétaire des droits sur les matériaux et leur mise en oeuvre.

Les seuls engagements de protection des divers partenaires concernent la confidentialité lors de la mise au point de la solution et sur les produits employés par MECATISS.

EGIS TUNNELS, pour respecter son obligation d’impartialité, lors de mise en concurrence pour la réalisation de travaux de protection thermique des ouvrages, ne peut pas s’engager dans une démarche de droits sur les produits ou de retombée financière sous quelque forme que ce soit.

Des communications en interne à chaque société participante ont eu lieu et une présentation à été faite au Centre d’Etude des Tunnels (CETU).

Les essais réalisés permettent de répondre aux exigences de la circulaire 2000-63 et ainsi garantir le fonctionnement des divers é quipements dont les alimentations électriques et les contrôles / commandes transitent dans une chambre de tirage munie de la protection thermique développée.

La solution apportée par l’emploi des matériaux de MECATISS répond à l’ensemble des contraintes, l’adaptation entre différents ouvrages est aisée, les modes de mise en oeuvre est très simple. MECATISS a engagé les démarches pour obtenir un agrément en 2008.