Transport automatique de marchandises en souterrain

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1 Transport automatique de marchandises en souterrain ir Johan Van Wassenhove - CEO S.A. Denys Résumé : Le transport de fret en souterrain peut devenir une solution efficace pour diminuer l impact sur l environnement des transports terrestres. Il s avère économiquement acceptable malgré des coûts d'investissement assez élevés mais inférieurs aux solutions actuelles (route essentiellement). A titre d exemple, les auteurs décrivent le projet d un système de transport complètement automatisé à l'intérieur de la zone portuaire d Anvers. Des plates-formes porte-containers circulent dans un tunnel de 4,2 m de diamètre sur un parcours en boucle d environ 20 km de longueur. Abstract: Automatic underground transportation of goods The underground freight transportation may become an efficient solution to reduce the impact of ground transportation on the environment. It appears economically acceptable, although investment costs are rather high but smaller than those of present solutions (mainly ground transportation). As an example, the authors describe the UCM (Underground Container Mover) fully-automatic transportation system inside the Antwerp harbour area. Containers are loaded on lorries rolling in a 4m-dia tunnel along a 20 km-long loop railway. 1 - INTRODUCTION Le secteur de la construction a une image plutôt traditionnelle. De ce fait, les fonds destinés à la recherche et au développement vont plus facilement aux secteurs considérés comme secteurs de pointe ou secteurs " branchés ". Pourtant, il est vital que le secteur de la construction innove constamment et développe une avance technologique. C est de cette façon que nos entreprises apportent une plus grande valeur ajoutée dans un contexte où la compétitivité est une clé majeure et où un ancrage national fort assure un avantage concurrentiel par rapport aux grands groupes étrangers. Qui ose encore contester réellement la nécessité de réaliser dans nos régions à forte densité de population, de nouvelles infrastructures indépendantes de celles qui existent, surtout les infrastructures routière et ferroviaire. Tous ceux qui sont confrontés aux problèmes de circulation, par exemple autour de Bruxelles, Gand, Anvers et Liège sont parfaitement conscients que les axes de transports dans ces régions sont quasiment saturés et que l'accroissement inexorable du trafic de fret fait présager des lendemains qui font peur. Il n'y a quasi pas d'études qui se sont attelées à déterminer le coût social et économique que génèrent les conditions souvent très sévères et trop souvent catastrophiques des ralentissements, bouchons, accidents récurrents dans ces zones. La croissance, notamment économique, requiert pourtant des solutions anticipées en matière de transport, solutions qui soient durables et largement extensibles pour s'adapter à l'évolution de la demande, sans générer des nuisances inacceptables pour le milieu environnant. C'est l'une des raisons qui oblige à recourir de plus en plus aux ouvrages souterrains. Mais ces solutions requièrent des investissements importants seulement acceptables pour les générations futures sous réserve d être d un montant limité ou d assurer une rentabilité à court terme. Avec la volonté de répondre à ces exigences, des solutions adaptées sont proposées par des entreprises importantes et expérimentées. C'est le cas du projet TCX (Tube Cargo Express) qui propose une solution de transport de marchandises en souterrain entièrement automatisée. Le TCX peut former un réseau entre des centres logistiques éloignés ou non. Le point fort du projet consiste à réaliser à une profondeur minimale un tunnel horizontal de diamètre adapté aux véhicules à déplacer; ce tunnel est de préférence aménagé le long du tracé d'une infrastructure existante. Ceci permet de localiser à des entre-distances convenables des puits d'accès pour l'exécution des tunnels. Des véhicules sur rails télécommandés, chargés d'euro-palettes ou de miniconteneurs circulent dans ces tunnels constitués de tuyaux préfabriqués en béton armé munis d une âme en tôle, ce qui leur permet de résister aux pressions du sol et de l'eau souterraine. Dans les centres logistiques, des systèmes de chargement et déchargement automatiques assurent la réception et l expédition rapides du fret. Le système TCX peut être réalisé et exploité de manière très flexible. La possibilité de réaliser un transport via ces tunnels n'est pas un vague projet d'avenir. Des systèmes similaires sont déjà en cours de développement dans différents pays. Des études techniques et économiques ont été réalisées et leur faisabilité est tout à fait prouvée. Dans le souci d éviter que la problématique du transport de marchandises n'entrave la saine croissance de notre économie, le TCX en tant que quatrième mode de transport, à côté des auto- 197

2 routes, voies ferrées et navigables, dispose d'un potentiel particulièrement considérable. Le Tube Cargo Express est un projet qui mérite incontestablement l'attention de nombreux intéressés. Son promoteur, la société Denys est spécialisé en travaux souterrains et en particulier dans l'exécution de conduites en tout genre en zones urbaines mais c'est aussi une entreprise qui maîtrise la faisabilité du système, ses applications et ses contraintes. (fig. 1). 2 - OUVRAGES ÉTANCHES À L'EAU Tout ouvrage souterrain doit évidemment résister à la pression du sol et de l'eau qui l'imprègne. Le béton armé est le matériau le plus approprié pour réaliser une construction souterraine, à cause de sa bonne résistance mécanique, de sa faible déformabilité et de sa faible perméabilité à l'eau. De plus, son poids volumique plus élevé que celui des sols meubles est un critère important pour résister à la poussée d'archimède. Mais l'expérience montre que dans les ouvrages réels, les ouvrages en béton ne sont pas aussi étanches que souhaité; l'ensemble est souvent semi-perméable ou parfois perméable et des fuites limitées Figure 1 sont observées. Ceci signifie que sous l'influence de la pression d'eau extérieure, il faut prendre en compte une certaine probabilité d'avoir de l'humidité et de la pression de vapeur d'eau dans l'espace souterrain, et ce d'autant plus que l'ouvrage est profondément enfoui dans le sol et la nappe aquifère. Bien sûr, cet aspect du problème n'a pas la même incidence lorsqu'on a affaire à un ouvrage d'adduction ou d'évacuation d'eau que si l'on veut faire fonctionner dans ces espaces du matériel sophistiqué tels que les équipements électriques et électroniques, mais aussi les dispositifs mécaniques et hydrauliques pour lesquels il faut imposer des exigences sévères quant à la qualité du climat dans l'espace souterrain. Tous les ouvrages modernes conçus pour le transport souterrain doivent intégrer ces exigences et donc leur structure doit présenter une étanchéité à l'eau quasi parfaite, sans devoir recourir à des moyens très gourmands en énergie comme c'est le cas des systèmes de climatisation. 3 - SOLUTIONS Immédiatement, on pense que l'étanchéité ne peut être obtenue que par l'incorporation à l'ouvrage en béton d'une membrane totalement étanche. Les concepteurs de ces ouvrages pensent souvent aux membranes en matériaux synthétiques, car ce sont des solutions bon marché, suffisamment déformables et résistantes à la plupart des agressions chimiques. Mais les matériaux synthétiques n'adhèrent pas bien au béton et ont une résistance en traction limitée. C'est d'ailleurs à cause de ces limitations que pour des constructions souterraines classiques, ces membranes sont normalement appliquées à l'extérieur de la structure, ce qui n'est pas possible dans le cas d'un tunnel foré. On peut toujours évidemment l'appliquer à l'extérieur d'un revêtement intérieur rigide qui double la structure souterraine en contact avec le sol, mais ce n'est applicable que pour les tunnels de grand diamètre, même si c'est une solution fort coûteuse. D'autres solutions d'étanchéité sont obtenues par l'emploi de coatings (résines époxy par exemple), mais en dehors de leur coûts élevés, ces solutions n'ont pas pu vraiment convaincre à cause d'une pression osmotique entre le revêtement et le béton. Par contre, l'association de tôles d'acier situées à l intérieur ou dans les anneaux en béton forme un excellent ensemble dont les qualités sont nombreuses: bonne adhérence entre les deux matériaux, bonne résistance de l'acier en milieu alcalin, pas de problèmes de dilatation différentielle, bonne résistance à la corrosion de l'acier qui est protégé par le béton s'il est composé de façon optimale et qu'il a une bonne compacité, très bonne résistance à la traction de l'ensemble apportée par la tôle d'acier et la continuité de l'âme métallique obtenue par soudure. Jusqu'il y a peu, cette technique était en général appliquée pour les conduites d'eau potable sous pression. Depuis plusieurs années, on l'utilise aussi pour réaliser des ouvrages souterrains mis en place par la technique du fonçage, lorsque les conditions d'étanchéité de l'ouvrage sont des paramètres dominants. A l'heure actuelle, on fabrique couramment de tels tuyaux avec âme métallique jusqu'à des diamètres de l'ordre de 4 mètres. Il existe des prototypes de plus de 6 mètres. Les techniques de fonçage permettent de mettre en œuvre de tels diamètres sur de grandes longueurs. 198

3 4 - LES ÉLÉMENTS DU SYSTÈME Le tuyau en béton armé à l âme en tôle est dimensionné en fonction de la combinaison des efforts externes et internes. L épaisseur de la paroi en béton armé, située à l extérieur de l âme en tôle est déterminée en fonction de la profondeur du tunnel (pression de terre et de l eau), de la résistance du sol latéral, des efforts exercés sur les tuyaux par les vérins de fonçage et des surcharges au dessous du terrain en surface (voies ferrées, bâtiments, routes, ). L âme en tôle est dimensionnée en fonction de la pression intérieure et le niveau de la nappe phréatique. En pratique l épaisseur de cette tôle en acier varie entre 3mm et 6mm. Figure 2 Dans les conditions actuelles les tubes sont fabriqués en standard dans les diamètres allant de 0,8m jusqu au 3,70m et selon des longueurs allant de 2,5m à 6m. 5 - FABRICATION DES TUYAUX AVEC UNE ÂME MÉTALLIQUE. Après la mise en forme, les tôles sont soudées longitudinalement et transversalement de façon automatique ou semi-automatique. Des mesures de l'étanchéité des cordons de soudure sont effectuées en continu. Les cages d'armature sont fabriquées sur machines automatiques et munies de crochets de levage et de dispositifs d'injection. Les moules intérieurs et extérieurs sont disposés verticalement dans le hall de fabrication; on y place avec une grande précision la cage d'armature et l'âme métallique; le bétonnage se fait ensuite avec un béton de composition bien étudiée et bien maîtrisée pour obtenir une haute résistance, une forte compacité et un durcissement rapide ; il est compacté mécaniquement. Après démoulage, les tubes sont marqués pour traçabilité et stockés en parc. 6 - MISE EN ŒUVRE La technique de fonçage assisté par un bouclier de forage est principalement née en Belgique et s'est développée depuis 50 ans pour devenir progressivement une technique moderne d'installation pour la réalisation d'infrastructures. Les possibilités d'application sont en progression constante. On réalise actuellement des fonçages à partir de puits verticaux espacés d'environ 2000 m et ce même avec des tracés en courbe horizontale et/ou verticale. Les âmes métalliques de tuyaux sont soudées les unes aux autres après le fonçage, assurant une étanchéité complète. A la fin du fonçage, il est possible d'injecter l'espace éventuel entre les tubes et le sol, afin de stabiliser l'ensemble, si nécessaire. Par la mise en œuvre de méthodes de mesure assistée par ordinateur, les éléments sont foncés au centimètre près. Les puits verticaux peuvent être utilisés par après pour l'exploitation du système (inspection, entretien). Cette méthode de construction de tunnels avec des tuyaux préfabriqués tout à fait étanches ouvre d'importantes perspectives pour le transport souterrain automatisé, car ce transport automatisé exige des véhicules électriques contrôlés par installation électroniques munis d'ordinateurs qui gèrent le trafic, l'embarquement et le débarquement des conteneurs. Tout L âme en tôle est protégée contre la corrosion par une couche de béton à l intérieur du tuyau de 40mm à 60mm d épaisseur. Cette couche n a pas de fonction structurelle et n est pas prise en compte dans le dimensionnement du tuyau. La liaison entre deux tuyaux, qui ont une longueur entre 2,5m et 6,0m est exécutée avec un double joint : d abord un joint en caoutchouc contre une manchette en acier, qui sert comme joint temporaire pendant le fonçage. Ce joint garantit pendant le fonçage l étanchéité contre la nappe phréatique et la pression de la boue bentonitique et forme une liaison souple qui permet de s adapter au tracé du fonçage et de foncer des tunnels en courbe (verticale et horizontale). Le joint définitif et permanent est réalisé par soudage d un couvre-joint sur les âmes en tôle de deux tuyaux successifs. Après le soudage le béton intérieur est mis en place sur le couvre-joint. Ainsi le tunnel possède sur toute la longueur une tôle en acier continue qui garantit une étanchéité parfaite de longue durée. Figure 3 199

4 repose sur l'efficacité du système de contrôle et de gestion qui doit donc être très fiable. Cette fiabilité exige notamment des conditions climatiques bien maîtrisées dans les ouvrages, tant en ce qui concerne la température que l'humidité. Figure 4 Après la mise en place dans des grandes installations commerciales de galeries techniques pour conduites et câbles de tout genre, un nouveau projet de transport automatisé de marchandises entre plates-formes logistiques se prépare. Il peut s'agir de transporter dans ces tunnels ainsi mis en place des palettes adaptées ou de tout autre conteneur conçu pour ces moyens, comme cela se voit en transport aérien. De nouveaux projets de transport de conteneurs maritimes au moyen de boucles sans fin entre des terminaux portuaires de conteneurs et les installations de chargement de ces conteneurs sont actuellement en gestation. 7 - EXEMPLE PRATIQUE Principes Le port d'anvers est l'un des centres économiques les plus importants de notre pays. Son développement est notamment dû à sa localisation géo-économique qui a permis le développement de très nombreuses activités industrielles et favorisé la construction d'importantes infrastructures de transport de toutes les marchandises qui y aboutissent. Tous les moyens de transport terrestre y sont présents: voie maritime, fluviale et canaux, routes et autoroutes, chemin de fer. Il s'agit de l'un des ports les plus importants d'europe, mais la concurrence est rude avec les ports voisins, notamment celui tout proche de Rotterdam. Toutes ces activités génèrent un trafic très important qui doit se contenter des infrastructures actuelles souvent saturées. Un des obstacles majeurs qui complique le transport dans la zone du port est la présence de l'escaut en son milieu. Un ambitieux programme de modernisation du réseau routier et ferroviaire est en cours ou en préparation et sera complètement opérationnel d'ici une dizaine d'années. Cependant, le trafic de conteneurs marins est devenu ces dernières décennies le mode de transport dominant et les études prospectives réalisées montrent que ce trafic va exploser au cours des années à venir. A côté des infrastructures de transport existantes, telles que les routes, la voie ferrée et la voie fluviale, qui pourront reprendre une partie de ce trafic, les exigences du marché forcent à prévoir des moyens supplémentaires de transport internes dans le port. Le transport en souterrain de conteneurs (Underground Container Mover, UCM) paraît la solution la plus évidente, vu la très faible disponibilité d'espaces en surface et les gênes importantes qui procurent les transports de surface souvent saturés. Cette solution consiste à réaliser un système de transport en souterrain complètement automatisé à l'intérieur de la zone portuaire, entre les bassins situés en rive gauche et les installations de dispatching des conteneurs situés en rive droite, sans être gêné par la présence de voies d'eau, de bassins maritimes, de routes ou d'installation ferroviaires. Ce système présente des capacités de transport très importantes et assez aisément extensibles en fonction de la demande. En y ayant recours, on peut prévoir qu'il n'y aura jamais de saturation du réseau de transport en surface, que le trafic ne sera pas perturbé par des conditions météorologiques défavorables, que le système pourra fonctionner jour et nuit sans discontinuer (sauf périodes d'entretien), que ce système apporte une capacité de transport facilement extensible, qu'il sera assez économique et fiable et qu'il contribuera de façon marquée au développement durable de notre pays Installation Le projet prévoit de réaliser une liaison souterraine en circuit fermé au moyen d'un tunnel foré entre les installations ferroviaires (on parle souvent de " hub ") situées sur la rive droite au nord d'anvers, les zones de traitement de conteneurs provenant de la navigation fluviale intérieure situées aux quais B1 et B2 sur la rive droite aussi et les zones de stockage situés sur les quais de la darse Deurganck sur la rive gauche. Une liaison peut également être prévue à l'avenue de l'escaut vers le quai à conteneurs. Le tunnel sera réalisé sous forme d'une boucle permettant le transport en circuit fermé et dont la capacité de transport est identique dans les deux directions. Il sera équipé d'une sorte de chaîne mue par un équipement électromécanique qui tire les porte-conteneurs circulant sur des rails à vitesse constante. Aux endroits voulus, des stations de chargement et de déchargement automatiques permettent de déposer les conteneurs sur les porteconteneurs ou les soulever sans les ralentir. Ces stations sont reliées à des quais de chargement et déchargement en surface par puits d'accès vertical ou selon un plan incliné. Dans les tunnels se trouvent les canalisations pour l'alimentation électrique de la traction mais aussi pour les équipements de contrôle et de mesure Traction et véhicules Les véhicules ou plates-formes circulent dans les tunnels sur des rails fixés aux anneaux et sont tirés par une chaîne mue par des moteurs électriques, chaîne qui repose sur des roues judicieusement réparties; en principe elle se déplace à vitesse constante; toutefois, cette vitesse peut être réglée. Ces plates-formes sont conçues pour bien placer le conteneur au centre de la section du tunnel, ce qui permet de maintenir un diamètre aussi petit que possible. Les plus grands conteneurs peuvent ainsi circuler dans un tuyau de 4,20 m de diamètre. Pour cela, on dispose les roues de la plateforme aux extrémités de celle-ci, en dehors de la zone occupée par le conteneur. Leur disposition leur permet de suivre sans problèmes des courbes horizontales dont le rayon est fixé lors du dimensionnement de la section des tubes. Les plates-formes peuvent accueillir des conteneurs de 20 à 40 pieds et un dispositif de fixation automatique empêche qu ils se déplacent durant le transport. Ces plates-formes se déplacent à vitesse assez réduite, ce qui limite l'usure des voies et de l'équipement de traction. La maîtrise de l'humidité dans les tunnels permet d éviter la corrosion des équipements et de l'infrastructure et réduit les 200

5 coûts de maintenance, tant de l'infrastructure que de l'équipement électromécanique et électronique. La force de traction est déterminée pour une charge maximum de 40 conteneurs, y compris leur propre poids et celui des plates-formes et des chaînes. Un coefficient de sécurité est introduit pour tenir compte des effets dynamiques qui se produisent lors du chargement et du déchargement Chargement et déchargement Les déchargement et chargement se font verticalement. Pour cette raison la station souterraine est pourvue sur environ 30 m de rails qui encadrent la voie principale et sur lesquels circule à la même vitesse que la plate-forme un portique équipé d'un système de levage automatique qui soulève le conteneur. Ensuite, arrivé au droit du puits vertical, le portique s'arrête et le conteneur est automatiquement repris par le dispositif de levage vers la surface. Le portique retourne à sa position de départ pour reprendre la charge suivante. Inversement, pour le chargement, le portique reçoit sa charge au droit du puits, prend de la vitesse pour atteindre celle de la plate-forme et dépose alors son conteneur avant de s'arrêter Gestion du transport Les plates-formes et les conteneurs qu'elles portent sont munies d'un système d'identification (code) et circulent sur la voie principale en boucle à une vitesse constante; elles font l'objet d'un suivi électronique qui assure une livraison au bon moment et garantit une traçabilité parfaite du transport. On peut exploiter de façon optimale les quais maritimes en répartissant judicieusement plusieurs stations de chargement et déchargement sur tout leur longueur, aussi bien en rive droite qu'en rive gauche, ce qui devrait contribuer à l'accélération du chargement et déchargement des navires; cela permettra aussi de limiter au maximum tous les portiques et élévateurs à fourche sur les quais et ainsi la durée de stockage et de traitement de ces conteneurs L'application présentée ici en quelques chiffres Diamètre tunnel intérieur : 4,2 m Longueur des tunnels : environ 20,8 km; Trafic estimé : 1 million de conteneurs par an et par direction; Vitesse de déplacement : 6,85 km/h. Entre distance des plates-formes porte conteneurs : 58m; Temps de trajet total aller et retour : 1,5h Capacité de transport : 5555 conteneurs par 24h, deux sens confondus; Pas de temps de repos (24h/24h, transport en continu toute l'année, sauf travaux de maintenance) Pour effectuer le même transport par la route, il faut compter entre les deux rives environ 36 minutes de trajet, chargement et déchargement compris; un camion pourrait donc effectuer 40 voyages par jour, en changeant de conducteur évidemment. Pour le trafic de conteneurs précité, il faudrait donc une flotte de 138 camions et au minimum 4 fois autant de chauffeurs, plus une adaptation conséquente du réseau routier y compris. Figure CONCLUSION Le système qui est proposé est certainement une très bonne solution pour tenter de résoudre en souterrain le problème de mobilité du transport en surface. Ce système permet en effet d'obtenir un dispositif souterrain totalement étanche, sa composition lui permettant de répondre aux exigences des équipements sophistiqués qui doivent y être installés et qui doivent être fiables pendant de nombreuses années. Ainsi le transport de fret en souterrain peut devenir une solution efficace, économiquement acceptable malgré des coûts d'investissement assez élevés; ces coûts, comparés aux solutions actuelles (la route essentiellement) sont très réduits. De plus, il répond tout à fait aux exigences du développement durable. Figure 5 Figure 6 201