DIAGNOSTIC DE LA QUALITE DES PLATES-FORMES FERROVIAIRES : CAS DU RACCORDEMENT D UNE LIGNE NOUVELLE A GRANDE VITESSE SUR UNE LIGNE CLASSIQUE ANCIENNE

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1 DIAGNOSTIC DE LA QUALITE DES PLATES-FORMES FERROVIAIRES : CAS DU RACCORDEMENT D UNE LIGNE NOUVELLE A GRANDE VITESSE SUR UNE LIGNE CLASSIQUE ANCIENNE RAILWAY TRACK QUALITY ASSESSMENT: CASE STUDY OF A NEW HIGH SPEED LINE CONNECTING WITH AN OLD RAILWAY LINE Julien DUBOST 1, Alice DELACROIX 2, Alain ROBINET 3, Nicolas CALON 3, Julien MASSOULIER 2 1 SNCF, Pole Ingénierie de Bordeaux, PI EG julien.dubost@sncf.fr 2 SNCF, Direction de l Ingénierie, IG LG EGP alice.delacroix@sncf.fr ; julien.massoulier@sncf.fr 3 SNCF, Direction de l Ingénierie, IG LG ERI nicolas.calon@sncf.fr ; alain.robinet@sncf.fr RÉSUMÉ Le diagnostic de la qualité des plates-formes des lignes classiques du réseau ferré est nécessaire pour permettre le raccordement d une ligne nouvelle à grande vitesse au réseau classique. Deux méthodes spécifiques d investigation ont été mises en œuvre afin de caractériser les structures d assises : géoradar embarqué, sondages au pénétromètre Panda couplé à un géoendoscope. L analyse de ces données, couplée aux données de maintenance de la ligne, permet d évaluer la qualité des structures d assises en place, et de préconiser ou non la réfection des structures de la ligne classique. Un exemple d analyse multicritère est présenté, illustrant le diagnostic des structures d assise des lignes anciennes dans le cadre du projet de raccordement de la ligne nouvelle SEA au réseau ferré national. ABSTRACT Railway track quality assessment of old railway lines is necessary to enable the connecting of a new line. Two methods of specific investigations were used to characterize the track: géoradar and panda penetrometer and geoandoscopy. The analysis of these data, coupled with that of the data of maintenance of the line, enables to assess track quality, and to recommend or not the repair of the classic line platform. The paper presents the case study of multicriterion analysis performs for the new high speed line SEA. 1. Introduction Le projet de création de la ligne nouvelle Sud Europe Atlantique (SEA) permettra d effectuer le trajet Paris-Bordeaux en deux heures environ. Cet objectif sera atteint par la construction d une ligne à grande vitesse (LGV) entre les villes de Tours et Bordeaux. Ce projet prévoit aussi le raccordement de celle-ci aux lignes classiques existantes du Réseau Ferré National (RFN) afin d assurer la desserte des principales villes : Tours, Poitiers, La Rochelle, Angoulême et Bordeaux

2 Le raccordement d une ligne neuve à une ligne ancienne constitue un point singulier à forts enjeux : les structures d assises neuves et anciennes doivent présenter une homogénéité tant mécanique qu hydraulique à même de garantir les objectifs de fiabilité, disponibilité, maintenabilité et sécurité (FDMS) du système. Or les platesformes ferroviaires des lignes anciennes sont généralement vieilles de plus d un demi-siècle. Leur dimensionnement d origine ne répondait pas aux mêmes conditions d exploitation qu aujourd hui (nombre de trains, charge à l essieu, vitesse de circulation ). De plus, ces plates-formes ont évolué différemment en fonction de différents critères tels l intensité des circulations, la maintenance de la ligne, le drainage des structures d assises Les caractéristiques des plates-formes des lignes du RFN sont en conséquence très variables. Cet article présente d abord les investigations spécifiques au diagnostic de plateforme du raccordement de la LGV SEA à Ambarès-La Grave en Gironde (33). L analyse des ces données est ensuite développée ainsi que les recommandations de traitement qui en découlent. 2. Présentation du site d étude Dans le cadre de la LGV Sud Europe Atlantique (SEA), des études en phase Projet ont été réalisées ou sont en cours de réalisation pour les raccordements de la LGV aux lignes existantes du Réseau Ferré National. Pour le site d Ambarès-La Grave, situé à environ douze kilomètres au nord-est de la ville de Bordeaux, la ligne SEA sera raccordée à la ligne classique (LC) existante Paris-Bordeaux par la mise en place de jonctions respectivement situées : voie 1, au point kilométrique (PK) de la LC, voie 2, au point kilométrique de la LC. Le raccordement consiste en la création sur la ligne classique Paris-Bordeaux d un point de jonction par un appareil de voie permettant le raccordement de la voie 1 de la nouvelle LGV à la voie 1 de la ligne classique. La nouvelle voie 2 LGV sera raccordée au PK de la voie 2 de la ligne classique préalablement déviée, sur une plate-forme entièrement neuve, puis elle rejoindra progressivement la plateforme actuelle jusqu au PK (Figure 1). V1 570 PRO René Coty PRA Gua Fin long bois JP V2 V2 déposée V1 LGV V2 LGV V2 déviée SDM V2 déviée + LGV Ancien PN Figure 1. Schéma simplifié du raccordement et localisation de la zone d étude - 4 -

3 Pour la suite, nous focaliserons notre zone d étude sur la zone de pose du futur appareil de voie : soit 350 m du PK au PK Les données d entrée de l étude La structure d assise théorique d une plate-forme d une ligne classique est présentée sur la figure 2. La couche intermédiaire (CI) correspond à la sous-couche originelle de la construction de la ligne et qui a évolué dans le temps (modification de la proportion de fines et de la densité). Figure 2. Schéma théorique de la structure d assise d une ligne classique Différentes données d entrée doivent être acquises et analysées pour caractériser le site : contexte géologique, hydrogéologique et hydraulique, aléas géotechniques et assainissements existants, historique des éventuels désordres de l ouvrage en terre (remontées boueuses?), données voie et exploitation, vitesse actuelle et projetée, charge à l essieu actuelle et projetée, armement actuel et futur, profil en long, profils en travers, et vue en plan des aménagements projetés Quelques unes de ces données sont présentées ci-après Description de la zone de raccordement Dans cette zone de raccordement, la ligne traverse coté nord essentiellement des terrains en friche agricole ou boisés, puis entre dans une zone urbanisée (ville d Ambarès). Une gare d arrêt y est desservie par les trains TER (Pk à ). Un pont rail situé au PK permet le franchissement du cours d eau Le Guâ. On notera enfin la présence d un ancien passage à niveau situé environ au Pk La plate-forme actuelle est établie en remblai depuis l extrémité de la gare jusqu au PK , puis en profil rasant jusqu au , et passe en léger déblai jusqu au PK (Figure 3). Sur le site d étude, deux zones de remontée de boue dans le ballast ont été observée. Elles ont été traitées ponctuellement par une substitution du ballast polluée par du ballast neuf (Figure 4) Présentation géologique du site D après la carte géologique à l échelle du 1/ de Bordeaux, le projet du raccordement d Ambarès recoupe deux formations superficielles : - 5 -

4 Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 Figure 3. Zone d étude vue vers Bordeaux depuis PK Figure 4. Remontée boueuse au PK du début du projet (km ) au km (zone de gare) et du km à la fin du projet (km ) : formations alluviales de la Dordogne (FxcD) datant de l ère glacière du Riss, composées de sables peu argileux, de graviers et de galets. du km au (au niveau du Guâ): les alluvions de la Dordogne (FXcD) sont recouvertes par la formation des argiles de Mattes Fyb. D après la notice géologique, cette formation est constituée d argiles bleuâtres à grisâtres, à passées tourbeuses. Le substratum correspond à l Oligocène qui peut être d âge différent, du plus récent au plus ancien : Oligocène moyen : calcaire à astéries et calcaire à «Archiacines» (g2), calcaire fin, avec localement, du sable calcaire ou quartzeux en stratifications et des argiles vertes, Oligocène inférieur : molasse de Fronsadais (g1m) (sables micacés et feldspathiques gris clair avec quelques niveaux argileux, ligniteux et de calcaires argileux) et marnes et calcaires lacustres type Castillon (g1c) Les sondages et les forages Deux techniques de reconnaissance des plates-formes ferroviaires ont été mise en œuvre pour caractériser le site présenté ici : le géoradar de surface et des sondages au pénétromètre léger PANDA couplé avec un géoendoscope (Calon et al., 2011). Des sondages géotechniques plus classiques peuvent également être utilisés pour caractériser les plates-formes ferroviaires : sondages à la mini-pelle, sondages carottés, etc. Leur mise en œuvre est cependant plus difficile sur réseau exploité en raison du manque de capacité pour leur mise en station. Ces techniques n ont donc pas été employées pour le raccordement présenté ici. -6-

5 Reconnaissance géoradar La technique d investigation avec un géoradar de surface a été adaptée pour être embarqué sur un train (figure 5). Les antennes émettrices et réceptrices sont fixées à l avant du train, la centrale d acquisition est installée en cabine de conduite. Un enregistrement vidéo du parcours est effectué ainsi qu un géopositionnement des mesures en temps réel. Les mesures sont réalisées à une vitesse de 80 km/h. Figure 5. Draisine équipée des antennes radar Les épaisseurs de ballast identifiées sont relativement constantes sur la zone et semblables voie 1 (V1) et voie 2 (V2) : en moyenne 20 cm de ballast sain et cm de ballast pollué, sans variation importante d épaisseur. La couche intermédiaire identifiée cotés V1 et V2 fait de l ordre 15 à 20cm d épaisseur en moyenne, mais présente des variations d épaisseur plus marquées (entre 10 et 30cm). On constate un amincissement de cette couche vers le sud du site. Les épaisseurs données par le géoradar restent indicatives et doivent être rapprochées de celles rencontrées dans les sondages Panda+géoendoscope. Dans le cas présent l épaisseur de la CI est donnée relativement faible, mais l épaisseur de ballast pollué est plutôt élevée. Il est donc probable qu une part de la couche de ballast pollué puisse être attribuée à la couche intermédiaire. Les résultats indiquent qu il n y a pas de pollution du type de remontée de glaise dans le secteur. Par contre, une forte humidité de la couche intermédiaire et du sol support est relevée et interprétée comme liée à des défauts de drainage des structures. Cette humidité est plus marquée coté V1 que V Sondages de plate-forme Des sondages au pénétromètre léger PANDA couplé avec un géoendoscope ont été réalisés sur tout le secteur d étude avec un pas de 50 m environ (Haddani et al., 2011). La technique du géoendoscope consiste à réintroduire une tige creuse fendue dans le trou du pénétromètre, puis à réaliser un enregistrement vidéo des sols traversés. On peut ainsi identifier de manière précise la nature et les épaisseurs des différentes couches constituant la structure d assise. Un exemple de résultat est donné sur la figure

6 Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l Ingénieur JNGG2012 Bordeaux 4-6 juillet 2012 Figure 6. Exemple de résultat d un sondage Panda-géoendoscope Les épaisseurs moyennes des structures d assises rencontrées sur la zone d étude sont données dans le tableau 1. Tableau 1 : Épaisseurs moyennes des structures d assises du site ballast sain + ballast pollué couche intermédiaire + sous-couche V1 0,35m 0,56m V2 0,32m 0,43m Le complexe «couche intermédiaire + sous-couche» présente de bonnes caractéristiques mécaniques. L examen endoscopique indique des matériaux de nature sablo-limoneuse (V1 et V2). Les résistances en pointe mesurées sont élevées, de l ordre de MPa en moyenne dans l axe de chaque voie. Le sol support (noté plate-forme sur le sondage figure 6) est, lui aussi, constitué de matériaux sablo-limoneux. Ces matériaux sont de consistance compacte avec une courbe pénétrométrique le plus souvent en continuité avec les valeurs obtenues dans la «couche intermédiaire + sous-couche». Ces bonnes caractéristiques de résistance en pointe sont à modérer au regard de la saturation constatée des sols en place. En effet, les structures d assises («couche intermédiaire + sous-couche» et sol support) sont saturées en eau à partir du PK coté V1 et PK coté V2, et ce jusqu à la fin de notre périmètre d étude au Les données voie Les données concernant les voies consistent principalement en l enregistrement de leur géométrie. On recense également les opérations de maintenance réalisées pour -8-

7 rectifier la géométrie des voies. Ces données ne seront pas présentées en détail ici, mais leur analyse informe sur les zones de défauts ponctuels ou récurrents de géométrie des voies. Elles sont utilisées en donnée d entrée pour cibler des zones de désordres. Elles sont ensuite analysées en complément des sondages de plateforme pour valider les informations de ceux-ci et délimiter les zones présentant des défauts pouvant être liés à la qualité des structures d assises. Sur notre zone d étude, les données indiquent des défauts de voie ponctuels et récurrents malgré les multiples opérations de reprise de la géométrie. Ces défauts sont liés à la qualité des structures d assises. On retrouve en effet une concordance entre les anomalies de géométrie mesurées, les observations visuelles (remontées de glaise) et des sondages montrant des faibles portances et des sols saturés. 4. Diagnostic de la qualité des structures d assise 4.1. Analyse multicritère Les données d entrée caractérisant les plates-formes ferroviaires sont multiples. Une analyse et un croisement de toutes ces informations est nécessaire pour juger de la qualité des structures d assise et de leur aptitude à supporter des sollicitations complémentaires, apportées dans notre cas par la mise en place d un appareil de voie et des circulations nouvelles associées. L interprétation des résultats de reconnaissances de plate-forme ferroviaire existante porte essentiellement sur l analyse de : - l épaisseur de la couche ballast sain + pollué, - l épaisseur de la couche intermédiaire, - de la qualité de la couche intermédiaire et du sol support. Ces interprétations sont complétées et croisées avec l analyse des données «voie». Quatre critères sont ainsi retenus pour définir la qualité des structures d assises : le nivellement longitudinal des voies, la résistance en pointe Qd de la couche intermédiaire, l épaisseur de la couche intermédiaire, la classe de qualité du sol support. Lorsque un ou plusieurs de ces critères sont jugés insuffisants pour les objectifs de fiabilité, disponibilité, maintenabilité et sécurité propre au raccordement, alors des aménagements spécifiques doivent être proposés Dimensionnement des structures d assises Le dimensionnement des structures d assise des lignes nouvelles est aujourd hui clairement défini dans des référentiels. Il est établi en fonction : du groupe UIC de la ligne (fonction des circulations et de la vitesse), de l armement des voies (rail et traverse), de la classe de qualité du sol support, de l objectif de portance de la future plate-forme

8 Les dimensionnements prescrits ne sont pas nécessairement compatibles avec les structures en place sur les lignes anciennes. Il faut notamment s assurer de l homogénéité de portance de la plate-forme, de la continuité hydraulique en profils en travers et en profils en long, de la conformité des épaisseurs de ballast En fonction de la qualité des structures d assise déterminées, il peut être préconisé différentes solutions d aménagement : - si les structures nouvelles et en place sont compatibles alors il n y aura pas de travaux particuliers ; - si défauts mineurs associés à des problèmes d eau sont présents, il y aura un renforcement des réseaux de drainage ; - si la qualité de la plate-forme ancienne est insuffisante, la réfection complète des structures d assise et du drainage longitudinal devient nécessaire. Dans le cas du raccordement d Ambarès, les défauts de géométrie de voie, la présence de remontées boueuses, la saturation en eau de la plate-forme actuelle, et des résistances en pointe ponctuellement très faibles, nous ont conduit à proposer au maitre d ouvrage une réfection complète des structures d assise sur la zone de pose des futurs appareils de voie. Une attention particulière devra être portée à la réalisation des réseaux de drainage prévus au projet, notamment pour qu ils soient réalisés en amont des travaux de terrassement de manière à assainir la plate-forme. 5. Conclusion Les enregistrements géoradar apportent une vision globale de la géométrie et de la qualité des structures d assise. Ils ne sont cependant pas assez précis pour caractériser seul une petite zone telle qu un point de raccordement. Les sondages panda/géoendoscope sont très utiles car ils informent sur la nature des couches traversées, leur épaisseur et leur résistance à la pénétration. Ils ont de plus l avantage d une mise en œuvre rapide, indispensable sur réseau exploité. Il est cependant nécessaire de les analyser au cas par cas, car les valeurs moyennes peuvent cacher des anomalies ponctuelles de portance. Ces dernières peuvent être recherchées et confirmées par l analyse des enregistrements de la géométrie des voies. La qualité des structures d assise des voies anciennes ne peut être caractérisée que par une analyse multicritères des données des investigations menées. Le diagnostic ainsi établi, mis en perspective avec les aménagements projetés, conduit à proposer ou non la réfection des structures en place afin d assurer la pérennité des nouvelles infrastructures. Références bibliographiques Calon N., Chanson M., Nebieridze S., Robinet A. (2011). Auscultation des plates-formes ferroviaires par méthodes géoradar et panda, Symposium International GEORAIL, Haddani Y., Saussine G., Breul P., Benz Navarette M., Gourves R. (2011). Estimation de la portance et de la raideur des plates-formes ferroviaires par couplage d essai panda et géoendoscope, Symposium International GEORAIL,