Philippe Chopard: Ingénieur chef de projet, Bonnard & Gardel Ingénieurs-conseils SA, Suisse
Alan Weatherill: Responsable du groupe "Ventilation", Bonnard & Gardel Ingénieurs-conseils SA, Suisse

Maintenant terminée, une modification notable du circuit de climatisation et de ventilation a été effectuée. La longueur des galeries nous amène à évoluer vers un circuit équipé de sas et de parois étanches. Ceci pour permettre aux hommes de travailler dans des conditions moins contraignantes, car le volume de galeries à rendre acceptable en température aura diminué quasiment de moitié. La puissance de climatisation a été augmentée de 1MW. Les mouvements d'air frais et vicié dirigés plus précisément.

1 - PRÉSENTATION GÉNÉRALE

Le tunnel de base du Lötschberg (dont le Maître d'ouvrage est la société BLS AlpTransit AG, Berne) constitue l'un des deux tunnels ferroviaires de base (avec le Gothard) projetés par la Suisse à travers les Alpes. D'une longueur de 35 km, il représente l'ouvrage majeur de l'axe Nord-Sud Lötschberg-Simplon qui relie l'Europe du Nord à l'Italie. C'est un maillon essentiel des Nouvelles Lignes Ferroviaires Alpines (NLFA), lignes à grande capacité à travers les Alpes, et qui seront réalisées par la Suisse pour permettre le développement des trafics voyageurs et marchandises à l'aube du troisième millénaire.
La mise en service est agendée au début de l'année 2007. Les coûts de construction sont estimés à 3,6 milliards de francs suisses.
L’exposé définit le concept à la base du dimensionnement de la ventilation et de la réfrigération, ceci en phase de percement du tunnel (chantier) dans l’attaque intermédiaire de Ferden et présente les difficultés rencontrées et les solutions envisagées.
Les conditions climatiques en galerie au cours du percement du tunnel de base du Lötschberg dans le Lot Ferden apparaissent à plus d'un titre comme sortant de l'ordinaire;

Figure 2 - Température du massif le long du tunnel et profil géologique. La marge d’incertitude sur la température est indiquée par le fuseau.

par exemple:
-L’excavation des tubes du tunnel de base à partir du pied de la descenderie de Ferden, longue de 4,1 km à 12 %;
- La longueur importante des attaques, soit 2 tubes sur 6.5 km en direction Nord et 2 tubes sur 2 km en direction Sud;
- La complexité géométrique des ouvrages annexes (cavernes, galeries d'accès, gare souterraine et changements de voie);
- Et pour terminer, la forte profondeur du tunnel, qui est à l'origine des températures élevées de la roche, dépassant 45°C sur certains tronçons (couverture maximale de 2100 m);
Pour apporter une réponse à la mesure de ces contraintes peu banales, le concept de ventilation prévoit la réalisation d'un puits d’extraction de l’air vicié, ainsi que la mise en place d'un système de réfrigération artificielle d’une capacité de 5 MW thermiques. Ces mesures conjuguées doivent permettre de maintenir la température dite sèche à 28°C sur les places de travail en souterrain, conformément aux exigences des services de surveillance de la santé.
La cheminée de ventilation fait également partie intégrante du concept de sécurité incendie du tunnel en exploitation.

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Figure 3 - Tunnel de base du Lötschberg; disposition du Lot Ferden.

2 - DONNÉES GÉOLOGIQUES ET GÉOTHERMIQUES

Les formations géologiques en présence sont avant tout des gneiss, des schistes cristallins et des granites. La couverture rocheuse est très importante sur tout le tracé. Elle dépasse 1500 m sur un linéaire de 10 km, avec un maximum de 2100 m.
La température maximale du massif attendue est élevée, en raison de la forte profondeur. Les valeurs annoncées par le géologue dépassent par endroits 45°C, avec une plage d'incertitude importante. Les maximas sont attendus à 3 km en direction nord. Cet ordre de grandeur a été confirmé ponctuellement dans plusieurs forages profonds réalisés depuis la surface.

3 - EXCAVATION À PARTIR DE FERDEN

Le Lot Ferden des travaux du tunnel de base est un lot de travaux "médian", du fait que le tunnel est excavé à chaque fois sur 2 tubes dans les deux directions nord et sud à partir du pied de la descenderie de Ferden.
A leurs extrémités, les attaques rencontrent les excavations menées à partir de la Vallée du Rhône au sud et de la descenderie de Mitholz au nord.
Cette disposition résulte d'une contrainte de planning selon laquelle le percement du tunnel devait être réalisé avant octobre 2004. (mission accomplie le 29/10/03 pour le sud)
La descenderie de 4,1 km à 12 % constitue la seule voie d'alimentation du chantier du tunnel à sa base. Une place d'installation en souterrain disposée dans plusieurs cavernes au pied de la descenderie permet d'assurer la maîtrise des différents flux.
Comme on peut s'en rendre compte, une activité très intense régne en souterrain dès l'ouverture des attaques des quatre fronts d'excavation nord et sud; il y a plus ou moins 100 ouvriers sur ces différents chantiers en souterrain. Il est donc fondamental de garantir des conditions climatiques satisfaisantes en galerie.
Les excavations du Lot Ferden sont réalisées par minage dans les roches essentiellement cristallines. La cadence est estimée à un avancement moyen de 7,5 m par journée de travail, avec horaire continu sur 24 heures, 7 jours /7.

4 - CONCEPT DE VENTILATION

La ventilation de chantier est soumise aux prescriptions de l'organe de contrôle de l'hygiène du travail de la Caisse Nationale d'Assurance Accident (SUVA).
Celui-ci fixe les valeurs de concentration maximum (valeur moyenne d'exposition VME) des substances nocives dans l'air sur les emplacements de travail. Il définit aussi les valeurs du débit minimal d'air frais en fonction de la puissance nominale des engins de chantier Diesel engagés, de l'emploi d'explosifs (minage) et de la présence de gaz dans le massif rocheux.
Une alimentation suffisante en air frais et qui présente toutes les garanties de sécurité est indispensable dans le Lot Ferden, étant donné la longueur des attaques et leur disposition en pied de la descenderie de 4,1 km.
Le respect des prescriptions de la SUVA, la présence potentielle de gaz sur certains tronçons et le souci général de mettre en place un système d'alimentation d'air frais de qualité ont conduit à adopter le schéma de ventilation reproduit à la figure 4.
L'alimentation en air frais se fait en pleine section par la descenderie de Ferden. A la base de la descenderie l'air frais est distribué vers les différents fronts d'excavation et la place d'installation en caverne.
La circulation de l'air dans les 2 tubes du tunnel, toujours en pleine section, est réalisée en boucle à partir de la galerie de liaison intertube située le plus près des fronts. Les fronts sont alimentés par une ventilation soufflante secondaire au moyen de ventubes sur une longueur maximale de 1500 m.
Cette disposition est opérationnelle depuis le début des attaques principales. Elle permet de garantir les débits importants nécessaires jusqu'à 200 m3/s. A ce débit, correspond une vitesse du courant d'air de 11 km/h dans la section de la descenderie.
L'air vicié est évacué par la galerie et le puits de ventilation de Fystertelläe. Le ventilateur principal est disposé en caverne à la base du puits. D'une puissance de 1,25 MW, il assure la circulation d'air par aspiration; un système de diaphragmes et de sas permet de régler les différents débits en galerie.

Figure 4 - Schéma de ventilation

Cette solution offre une grande sécurité en cas d'incendie, le rejet de l'air vicié étant complètement dissocié de l'amenée d'air frais.
La caverne, la galerie et le puits de ventilation font parties intégrantes du concept de ventilation incendie du tunnel en exploitation.

5 - CONDITIONS CLIMATIQUES EN GALERIE

5.1 Aspect médical

Le dégagement important de chaleur et d'humidité par le massif rocheux, auquel il convient d'ajouter les apports de chaleur des machines de chantier, font que le climat régnant en galerie peut être pour le moins qualifié de chaud et humide. En raison des différents apports d'eau, l'humidité relative de l'air pourra avoisiner 100 %.
Ces conditions extrêmes posent problème et éprouvent fortement l'organisme humain quand il s'agit de réaliser un travail pénible de chantier.
Les risques pour la santé sont médicalement bien connus, et comportent toutes les manifestations d'hyperthermie qui, selon les cas, peuvent avoir rapidement des conséquences graves.
C'est pourquoi les conditions climatiques lors du travail en climat chaud et humide sont strictement réglementées (en Suisse par l'organe de contrôle de l'hygiène du travail de la SUVA).

5.2 Réglementation sur le climat en souterrain

Il existe différents critères permettant d’évaluer l’incidence des conditions climatiques du tunnel sur le corps humain:
- la norme internationale ISO 7243: WBGT
- en France: l’indice de température résultante
- en Suisse: la température limite selon les prescriptions de la SUVA
- en Allemagne: l’indice de température effective.
Ces quatre références permettent de calculer une température résultante théorique qui tient compte de la température de l’air, de son taux d’humidité et de la vitesse du courant d’air. L’indice WBGT prend également en compte la chaleur de rayonnement sur les places de travail (température du globe noir).
Les valeurs limites à respecter pour une journée de travail normale de 8 heures sont les suivantes:
- Température WBGT: 28°C
- Température effective (Allemagne): 25°C
- Température résultante (France): 26°C
Les températures sèches maximales admissibles selon les critères SUVA (Suisse) pour travaux pénibles, la température effective < 25°C (Allemagne) et la température résultante < 26°C (France) sont comparées à la figure 5 pour différents taux d’humidité. La vitesse du courant d’air est fixée à 7 km/h.
On observe sur cette figure peu de différences entre les références consultées appliquées à un climat humide.

Figure 5 – Comparaison des différents critères d'évaluation du climat en souterrain.

Diagramme donnant la limite climatique(courbe jaune) de travail en fonction de la température et de l'humidité relatives de l'air pour les travaux souterrains. Par exemple, un travail de 8 heures à 100% d'humidité à 28°C se situe dans la courbe, ou 30°C avec 80% d'humidité, le cas le plus fréquent actuellement. Mais ces chiffres sont variables en fonction des travaux effectués au front: foration, marinage ou gunitage(béton projeté)ou l'arrêt de la ventilation avant un tir.

6 - BILAN THERMIQUE

6.1 Charges thermiques

Les charges thermiques identifiées proviennent principalement du massif rocheux et des engins et activités de chantier.

6.1.1 Massif rocheux
La charge thermique provenant du massif est élevée. La chaleur dégagée par la roche est maximale dans la zone d’attaque, où la roche n’a pas encore été refroidie par la ventilation. Elle culmine à 3 km en direction nord où la température du massif s'élève à 45°C.

6.1.2 Engins et activités de chantier
Les activités de chantier sont également productrices de chaleur. Si dans les conditions de percement habituelles (tunnel sous couverture moyenne avec température de la roche avoisinant 15°C) elles ne portent pas à conséquence, elles constituent dans ce cas une source de chaleur supplémentaire à charge.
Dans une excavation par minage, elles ont été estimées à 650 kW en moyenne. Elles résultent principalement des activités de forage, de marinage, de transport et de réalisation du soutènement en béton projeté (chaleur d'hydratation).
Les valeurs indiquées ci-après correspondent à un avancement de pointe de 12 m sur 24 heures.

6.2 Calcul du climat dans le tunnel

Le bilan thermique a été établi en considérant le développement dans le temps des charges thermiques mentionnées en interaction avec le processus de forage du tunnel.
Il prend de la sorte en compte:
-La géométrie des attaques.
- La température originelle du massif.
- Les caractéristiques thermiques du massif, à savoir conductibilité thermique, chaleur massique, diffusivité thermique des différentes formations géologiques.
- Le périmètre humide de la cavité du tunnel
- Les charges thermiques de chantier, en particulier les charges induites par le marinage.
- L’histoire de chaque attaque et la vitesse d'avancement.
- La ventilation et les conditions climatiques extérieures.

6.3 Méthode de calcul

Le calcul du climat en galerie a été réalisé avec le logiciel développé par Bonnard & Gardel. Ce programme a été validé par comparaison avec d'autres approches.
L’évolution de la température le long de la galerie est calculée à partir de la température extérieure de l’air pour des tranches du tunnel de 10 m de long. Seul le transfert de chaleur radial provenant du massif est pris en compte, le transfert axial est négligé.
Le calcul du transfert de chaleur en galerie est un problème de conduction thermique radiale instationnaire qui peut être défini en coordonnées cylindriques par une équation différentielle:

dont la solution mathématique est développée dans l’ouvrage de Carslaw and Jaeger [12] sous la forme d’une série de fonctions de Bessel pour différents nombres de Fourier et de Biot.

6.4 Conditions climatiques sans refroidissement

Les résultats du calcul de la température de l’air en galerie pour les tubes nord sont présentés dans la figure 6. Considérons tout d'abord la courbe de température la plus élevée. Le tunnel n’est pas équipé à ce stade de système de refroidissement, hormis la ventilation forcée. Les calculs prennent en compte un débit de ventilation de 100 m3/s dans la boucle nord et 100 m3/s dans la boucle sud. Pour mémoire, la température sèche limite de l’air est fixée à 28°C.
Cette condition est respectée dans les deux tubes sud, en raison de la température moyennement élevée de la roche. Le débit de la ventilation principale est suffisant pour maintenir la température en dessous de 28°C.
A l'opposé, dans les tubes nord, la température attendue monte à 34°C et dépasse la limite de 28°C fixée; un système de réfrigération artificielle s'avère nécessaire. Les zones critiques se situent aux fronts nord et au retour de l'air en pied de la descenderie.

Figure 6 - Courbes de la température de l'air en galerie sans et après mise en place du système de réfrigération artificielle.

7.1 Puissance de froid nécessaire

La demande de froid pour abaisser la température moyenne maximale en dessous de 28°C en galerie est estimée à 3 MW. Si l'on considère les incertitudes qui entachent les estimations de la température du massif, la puissance requise peut monter à 5 MW (cf. figure 7).

Figure 7 - Puissance de froid en fonction de la température

A une augmentation de 1°C de la température extérieure correspond une demande de froid supérieure de 250 kW. L'illustration simplifiée du bilan thermique est donnée à la figure 8. La décomposition des charges thermiques par nature et les parts de la réfrigération assurées par la ventilation et par le système de réfrigération apparaissent.

Figure 8 - Charges thermiques et de refroidissement.

7.2 Système de réfrigération

Un système de réfrigération artificielle sera mis en place en galerie. Le concept prévoit la réfrigération par circulation d'eau froide (cf. figure 9). L'eau de la rivière Lonza est prélevée dans le lac artificiel du barrage de Ferden. Elle est filtrée, puis parvient au niveau du tunnel par le puits de Fystertellae; cela représente une dénivellation de 567 m.
L'eau froide est ensuite amenée en galerie par des conduites isolées (coefficient de transfert < 2.5 W/°K*m2); plusieurs échangeurs mobiles à convection, d'une puissance unitaire de 300 à 500 kW, sont disposés aux fronts et en galeries; ils assurent la réfrigération des postes de travail. Au retour, l'eau réchauffée remonte par le puits et est restituée au lac. Le débit d'eau maximal est estimé à 300 m3/h.
La température de l'eau prélevée à la rivière est de 4 à 8°C selon la saison; ce bas niveau de température est essentiel au bon fonctionnement de l'installation; il s'agit pour l'essentiel d'eau de fonte de glacier. Le débit relativement élevé de la rivière Lonza fait que la condition légale qui limite le réchauffement du cours d'eau à 3°C est respectée, aussi en hiver.
Un système mécanique de réduction et de transfert de pression permet de supprimer le pompage dans le puits sur une hauteur de 567 m en exploitant la pression de la colonne d'eau, tout en maintenant le circuit d'eau en galerie à un niveau de pression bas.

Figure 9 – Système de réfrigération par circulation d’eau froide.

8 - CONCLUSION

Le lot de travaux de Ferden du tunnel de base du Loetschberg présente des conditions de réalisation qui sortent de l'ordinaire. La grande couverture rocheuse fait que les conditions climatiques attendues en galerie sont très sévères; selon les estimations du géologue, les températures de la roche peuvent atteindre 45°C.
Conformément aux prescriptions édictées par l'organe de contrôle de l'hygiène du travail, la température de l'air de 28°C ne doit pas être dépassée en galerie. Ceci nécessite la mise en place d'une réfrigération artificielle de 3 à 5 MW selon les niveaux de température rencontrés.
Un système de réfrigération par circulation d'eau froide a été mis en place, avec disposition d'échangeurs mobiles en galerie. Le système prévu se caractérise par sa simplicité de conception, et constitue par là même une solution économique. Il est rendu possible par la présence d'eau de fonte relativement froide dans la rivière Lonza et ne nécessite pas l'installation d'une pompe à chaleur consommatrice d'énergie.

9 - LISTE DES RÉFÉRENCES

Sources:BG Ingénieurs-conseils SA
Av. de Cour 61 - CP 241
CH-1001 Lausanne

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