Amélioration de la sécurité des tunnels de la ligne A du métro de Toulouse

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1 Amélioration de la sécurité des tunnels de la ligne A du métro de Toulouse Xavier Guigas, BG Ingénieurs Conseils, Lausanne, Suisse Raphaël Defert, BG Ingénieurs Conseils, Lausanne, Suisse Nicolas Delpech, SMAT, Toulouse, France Bruno Rivault, SMAT, Toulouse, France Résumé Afin d'améliorer la sécurité des usagers, le Maître d'ouvrage du métro de Toulouse a engagé en 2007 un diagnostic de sécurité de la partie tunnel de la ligne A mise en service en 1993 (longue de 12.5 km, la ligne A possède 9.5 km de tunnel). Cette étude déboucha sur le projet dit "Amélioration de la sécurité des tunnels de la ligne A" dont la phase étude débuta en 2008 (avant-projet) et dont les travaux s'achèveront fin Le présent article décrit ce projet d'amélioration de la sécurité des tunnels de la ligne A et en particulier la modernisation du système de ventilation / désenfumage des tunnels. Sont décrits: L'organisation générale du projet ainsi que les différents thèmes d'amélioration de la sécurité. Le système de ventilation / désenfumage (12 puits répartis le long de la ligne), les principes de fonctionnement et scénarios de désenfumage, les objectifs de performances du nouveau système ainsi que le cadre règlementaire applicable. Les spécificités techniques du projet. Les outils de simulations aérauliques utilisés pour le dimensionnement du système de ventilation / désenfumage ainsi que pour l'établissement des scénarios de désenfumage en phases travaux et en phase définitive (simulations numériques monodimensionnelles et tridimensionnelles). La méthodologie d'organisation, de planification des travaux et de mise en œuvre du nouveau système de ventilation / désenfumage en relation avec le maintien en exploitation de la ligne avec le niveau de sécurité requis (maîtrise du risque selon le principe GAME) pour ses deux cent mille utilisateurs quotidiens. Abstract The owner of the Toulouse Metro has launched in 2007 a diagnostic study aiming at identifying the potential safety shortcomings of the tunnel part of the line A commissioned in 1993 (the line A is 12.5 km long with 9.5 km of tunnels). This diagnostic study lead to the project known as "Tunnel Safety Improvement of Toulouse Metro Line A" started in 2008 (preliminary studies). The works related to this project are ongoing and should end in winter This paper describes the Line A Tunnel Safety Improvement Project, with an emphasis on the refurbishment / modernization of the tunnel fire ventilation system. Will be described in details: The project organisation and the various themes of the safety improvement. The tunnel fire ventilation system (12 ventilation shafts distributed along the line), the fire ventilation scenarios, and the performance objectives set for the new system in relation with the applicable safety regulations. The technical specificities of the project. The simulation tools used for the sizing of the new ventilation system and for the calculation / definition of the ventilation scenarios during and after the refurbishment works The methodology for the organisation and planning of the works in relation with the operation continuity of the line with an adequate safety level for its two hundred thousand daily users (risk management according to the GAME principle Globalement Au Moins Equivalent)

2 Amélioration de la sécurité des tunnels de la ligne A du métro de Toulouse Xavier Guigas, BG Ingénieurs Conseils, Lausanne, Suisse Raphaël Defert, BG Ingénieurs Conseils, Lausanne, Suisse Nicolas Delpech, SMAT, Toulouse, France Bruno Rivault, SMAT, Toulouse, France 1 Introduction La ville de Toulouse dispose de deux lignes de métro, les lignes A et B, mises en service respectivement en 1993 (prolongée en 2002) et 2007, et toutes deux équipées de matériel roulant de type VAL (Véhicule Automatique Léger). Ces deux lignes sont exploitées par TISSEO. La réalisation d un programme d amélioration de la ligne A, en service depuis 20 ans, a été confiée par l Autorité Organisatrice des Transports (Syndicat Mixte des Transports en Commun de l Agglomération Toulousain) à la SMAT (Société pour la Mobilité de l'agglomération Toulousaine), Maître d'ouvrage délégué. Figure 1: Les lignes de métro de Toulouse et le VAL. Dans un souci d'amélioration de la sécurité des usagers, la SMAT a engagé en 2007 un diagnostic de sécurité dans la partie tunnel de la ligne A (longue de 12.5 km, la ligne A possède 9.5 km de tunnel). Cette étude déboucha sur le projet dit "Amélioration de la sécurité des tunnels de la ligne A" dont la phase étude débuta en 2008 (avant-projet) et dont les travaux, d'une durée de 30 mois, s'achèveront en Objectifs généraux du projet / Référentiel normatif / Dossier de sécurité Le diagnostic de sécurité a permis d'identifier les thèmes suivants d'amélioration de la sécurité des tunnels: Amélioration des dispositifs d'évacuation des usagers : Les travaux ont consisté en la rénovation complète de l'éclairage de balisage et de cheminement, la pose d'une main courante, la pose d'une signalétique d'évacuation ainsi que le traitement des obstacles identifiés sur les cheminements d'évacuation afin de garantir le respect du gabarit d'évacuation prescrit par la réglementation. Amélioration des dispositifs d'intervention des services de secours : Il s'agit de créer un nouvel accès au tunnel localisé au niveau du puits Garonne. Amélioration du système de désenfumage (hors prolongement) : Les travaux englobent la modernisation de 12 puits de désenfumage (replacement des ventilateurs et des équipements - 2 -

3 électromécaniques en puits); l'adaptation du système d'alimentation électrique des puits aux nouvelles puissances des ventilateurs; la mise en place de portes motorisées et télécommandées dans la galerie de liaison entre les lignes A et B; l'installation d'une gaine de désenfumage dans la station Esquirol; mise à disposition de l'exploitant d'un système informatisé d'assistance au choix du scénario de désenfumage (PAD: Poste d'assistance au Désenfumage). Le référentiel normatif utilisé est l'arrêté du 22 novembre 2005 relatif à la sécurité dans les tunnels des systèmes de transport publics guidés de personnes. Ce référentiel fixe les performances à atteindre en termes de sécurité une fois les travaux d'amélioration achevés. L'objectif de niveau de sécurité pendant la phase de travaux (pendant laquelle cohabitent, par exemple, anciens et nouveaux équipements) a été choisi GAME (Globalement Au Moins Equivalent) à celui prévalant sur la ligne A avant travaux d'amélioration. Le DPS (Dossier Préliminaire de Sécurité) et le DS (Dossier de Sécurité) élaborés par BG Ingénieurs Conseils, respectivement avant et après les travaux, visent à démontrer le respect de ces nivaux de sécurité. 3 Organisation du projet Le Maître d'ouvrage (MOA: SMAT) s'est entouré d'un Maître d'œuvre (MOE: groupement BG Ingénieurs Conseils / OTCE MP / OPMP, piloté par BG), d'un contrôleur technique (SOCOTEC), d'un Coordinateur en matière de Sécurité et de Protection de la Santé des travailleurs (SOCOTEC) ainsi que d'un Expert ou Organisme Qualifié Agréé en matière de sécurité des usagers (CERTIFER). Le projet a fait également intervenir activement l'exploitant du métro de Toulouse (TISSEO) et le concepteur du système VAL (SIEMENS) pour les aspects d'intégration des systèmes rénovés dans le contrôle-commande de la ligne. L'ensemble des travaux d'amélioration sécurité tunnel a été divisé en quatre lots selon la figure 2 cidessous qui résume l'organisation du projet. Contrôleur Technique SOCOTEC CSPS SOCOTEC EOQA CERTIFER Maîtrise d'ouvrage SMAT Maîtrise d'œuvre Exploitant TISSEO Système VAL SIEMENS BG / OTCE MP / OPMP Marché 1a Amélioration des dispositifs d'évacuation des usagers INEO / ARTEL - Eclairage tunnel - Main courante - Signalétique - Corrections gabarit de fuite Marché 1b Amélioration des dispositifs d'accés pour services de secours BOURDARIOS - Création accès Garonne Marché 2a Alimentation électrique des nouveaux ventilateurs SPIE Sud Ouest - Modifications sous-stations - Liaisons puissance en tunnel - Création sous station Garonne Marché 2b Ventilation COFELY AXIMA / FONTANIE - Ventilateurs et éqpt. en puits - Armoires puissance / commande - Portes VDS - Gaine Esquirol - PAD - Essais globaux Figure 2: Organisation générale du projet 4 Principes de fonctionnement et performance du désenfumage tunnel Le système de désenfumage des tunnels de la ligne A consiste à extraire les fumées par un puits situé dans l'inter-station sinistrée, de façon à limiter la propagation des fumées à cette inter-station et à protéger les stations encadrantes et les tunnels. Les puits d'inter-stations sont chacun dotés d'un unique ventilateur réversible. Les ventilateurs sont activés en mode insufflation d'air frais ou extraction des fumées suivant la position du puits par rapport au sinistre et suivant l'état de disponibilité du système de ventilation (mode nominal ou modes dégradés, cf. figure 3)

4 Figure 3. Principe du désenfumage en mode nominal et modes dégradés (incendie en inter-station N). Les objectifs de performances sont : Mode nominal : correspond aux prescriptions de l'arrêté de 2005 pour le cas où le matériel roulant ne satisfait pas aux normes NF F / 102 et 103 (ce qui est le cas des véhicules VAL circulant sur la ligne A). Dans ce cas, les vitesses de balayage dans l'inter-station où est localisé l'incendie doivent être supérieures ou égales aux vitesses critiques calculées pour les caractéristiques des tronçons de tunnels considérés et pour la puissance de l'incendie prise en compte : 6 MW dans le cas de la ligne A. Ces vitesses de balayage convergent vers le puits extracteur. Mode dégradé "extracteur défaillant": dans ce cas, les fumées sont poussées vers un des puits encadrant, enclenché en mode extraction, alors que l'autre puits encadrant ainsi qu'un puits supplémentaire (N+2 ou N-2 suivant les cas) sont enclenchés en mode insufflation. Le puits extracteur "de remplacement" est déterminé en fonction de sa proximité au puits défaillant. Une vitesse de balayage supérieure ou égale à la vitesse critique est induite dans l'inter-station incidentée, une vitesse d'air convergeant vers l'extracteur en service permet d'assurer la non-propagation des fumées dans le reste de l'ouvrage. Mode dégradé "insufflateur défaillant": l'autre insufflateur est arrêté et les vitesses de balayage dans l'inter-station incidentée, qui doivent être supérieures à 1.0 m/s, convergent vers l'extracteur en service. 5 Dimensionnement des ventilateurs / optimisation des puits Comme indiqué précédemment, les objectifs de performance se situent au niveau des vitesses de balayage à atteindre en tunnel. Le dimensionnement a donc consisté, dans un premier temps, à déterminer les débits de ventilation de chaque puits, nécessaires à générer les flux d'air prescrits en tunnel pour les différents modes de fonctionnement (nominal, dégradés) et pour les différents scénarios de ventilation (position de l'incendie). Dans un second temps, les pertes de charge et puissances des ventilateurs sont déterminées. Le calcul des débits nécessaires a été réalisé via un modèle aéraulique unidimensionnel et in stationnaire complet des tunnels de la ligne A (la figure 4 montre un exemple de l'interface graphique du modèle). En plus des effets classiquement pris en compte (pertes de charges linéaires et singulières, thermique, contre pression due au vent aux portails), ce modèle différencie les puits "NON RENOVES" (c'est-à-dire possédant encore leurs anciens équipements fonctionnels), les puits "EN TRAVAUX" (fermés par rapport au tunnel) et les puits "RENOVES" (avec leurs nouveaux ventilateurs). Outre le dimensionnement des ventilateurs, cet outil, calibré à l'aide de mesure in situ, a - 4 -

5 permis de calculer de manière rationnelle et pertinente les scénarios de désenfumage en mode travaux. Figure 4. Simulateur 1-D du désenfumage de la ligne A. La figure 5 compare les débits et puissances des anciens et nouveaux ventilateurs. Les principales spécifications contractuelles à garantir par l'entreprise titulaire étaient : les débits d'air en puits, une réversibilité de 100% en débit, les puissances minimales des machines, une capacité de fonctionnement à tous régimes sous une contrainte de variation de pression de +/- 500 Pa due au pistonnement des rames et une résistance à la température de 200 C pendant 2 heures. Figure 5. Comparaisons des débits et puissances des anciens et nouveaux ventilateurs / nouveau ventilateur en cours de tests usine. Une des contraintes principales du projet a consisté à conserver le génie civil des puits de ventilation existants tout en augmentant considérablement les débits des ventilateurs (les débits sont triplés dans certains cas). Une optimisation poussée de l'aérodynamique des puits a été rendue nécessaire afin de rationaliser les puissances électriques installées et à conserver un niveau de nuisances acoustiques compatible avec l'environnement urbain. La figure 6 montre un exemple de simulations 3-D de l'écoulement en puits pour le régime d'extraction maximum. Ces simulations prennent en compte la géométrie réelle des équipements proposés par l'installateur et ont permis de contrôler la pertinence des choix techniques, notamment au niveau des pièges à sons de grande longueur dont les baffles ont été équipés de diffuseurs (gain important en perte de charge)

6 Figure 6. Simulation 3-D (Fluent) de l'écoulement au travers d'un des puits de désenfumage. 6 Alimentation électrique et contrôle-commande L'architecture d'alimentation électrique et de contrôle-commande des nouveaux équipements de ventilation est résumée dans la figure 7. Figure 7. Architecture d'alimentation et de commande des ventilateurs (exemple pour un puits). Les nouvelles puissances des ventilateurs ont rendu nécessaire une refonte complète de leurs systèmes d'alimentation électrique (remplacement des transformateurs et des TGBT en stations ainsi que des liaisons de puissance en tunnel). Chaque puits est alimenté par le biais de deux nouveaux transformateurs situés dans la station la plus proche, chacun connecté à une des deux artères 20 KV transitant le long de toute la ligne A. Les ventilateurs sont alimentés aux travers de nouveaux variateurs de fréquence dont les caractéristiques principales sont : 315 kw / faible rejet d'harmoniques (< 4%) / freinage par rejet d'énergie sur le réseau / fonctionnement garanti pour une température de 70 C pendant une heure. Les télécommandes et télésurveillance de chaque puits, depuis le PCC, sont réalisées via le réseau de contrôle-commande général de la ligne A (appelé réseau C200). Une commande additionnelle et - 6 -

7 sécurisée des fonctionnalités désenfumage est disponible par les coffrets pompiers situés en stations. Les commandes aboutissent en puits à de nouvelles armoires automates industriels gérant les différents régimes de rotation des ventilateurs et surveillant leurs fonctionnements. Les régimes de rotation préprogrammés commandables depuis le PCC sont : désenfumage extraction / désenfumage insufflation / confort extraction PV ou GV / confort insufflation PV ou GV. En outre, une routine de ventilation de confort est programmée dans l'automate puits; cette routine régule automatiquement le débit d'air extrait ou insufflé en fonction des températures extérieures et intérieures et en fonction de plages horaires préprogrammées. Un système informatique visant à aider l'opérateur PCC (Poste de Commande Centralisé) à choisir le scénario de désenfumage adéquat, en fonction de la localisation de l'incendie et de la disponibilité des systèmes techniques, a été développé. Ce système remplace les "classeurs" de scénarios utilisés jusqu'à présent sur les lignes A et B. Le graphisme du PAD (Poste d'assistance Désenfumage) a été étudié de manière à reproduire au mieux les graphismes et symboles utilisés sur les IHM (Interfaces Homme Machine) de contrôle commande du PCC (la figure 8 donne un exemple de fenêtre PAD). Figure 8. Exemple d'interface du Poste d'assistance au Désenfumage (PAD). 7 Portes dans la galerie d'interconnexion LA - LB L'interconnexion (appelée aussi voie de service - VDS) est une galerie souterraine monovoie qui relie les lignes A et B au niveau des inter-stations Capitole Jean Jaurès (ligne A) et Jeanne d'arc Jean Jaurès (ligne B). Longue d'environ 300 m, cette galerie est utilisée pour l'échange / transfert de rames entre les lignes A et B vers les dépôts et centres de maintenance de Borderouge et Basso Cambo ainsi que pour le passage de trains de travaux. Les études aérauliques ont montré que cette galerie perturbe le fonctionnement du désenfumage tunnel et amoindrit ses performances. Pour résoudre ce problème deux portes motorisées et télécommandées ont été installées aux extrémités de la VDS. Ces portes sont "normalement fermées", elles ne sont ouvertes que pour les besoins de transfert de rames et d'engin indiqués plus haut. La sécurité de fonctionnement des portes vis-à-vis du risque de collision avec les rames est traitée de la manière suivante : l'autorisation de passage d'une rame au travers de la VDS n'est fournie que si les fins de course (triples, câblés en série) de chacune des portes remontent une information "portes ouvertes et verrouillées" vers le système VAL. Parallèlement à cette autorisation de passage, un ordre de "non autorisation de manœuvre" des portes est transmis par le système VAL vers le système de portes. Cet ordre agit directement sur l'alimentation électrique des moteurs des portes (coupure de - 7 -

8 l'alimentation électrique). Une fois la rame transférée, l'ordre "non autorisation de fermeture" est annulé, la porte peut être refermée. Figure 9. Portes de l'interconnexion (courtoisie de COFELY AXIMA et Elkuch-Bator) Les portes sont conçues pour résister à une température de 450 C durant 2 heures, sans déformation menant à la ruine (la fonction d'isolation de deux lignes de métro en cas d'incendie est assurée par le système de deux portes, distantes de 300 m environ). Les temps de manœuvre sont de l'ordre de 30 secondes (ouverture ou fermeture). Un critère de résistance à la pression de 500 Pa a été retenu. L'étanchéité des portes est assurée par une guillotine mobile épousant au mieux la géométrie des équipements sur radier (rails de roulement et de guidage). 8 Gaine de désenfumage de la station Esquirol La législation (arrêté du 22 novembre 2005) exige de protéger des fumées les stations encadrant le tunnel. De ce fait et en vue de la future utilisation de la ligne A par des rames de 52 m, le point d'extraction des fumées d'une des voies de la station Esquirol a dû être décalé d'une longueur d'environ 30 m afin de permettre une extraction des fumées au tympan de la future station prolongée. Ce décalage est réalisé via une gaine sous voûte d'une section de 4 m 2 et d'une longueur de 30 m environ. Pour des raisons d'organisation des travaux (réalisation en nuits courtes), une construction métallique / plaques de matériau isolant a été choisie. 9 Méthode et planning de réalisation Afin de minimiser tant les risques sur les usagers que les risques projet (retards, réclamations, ) et d'interruption d'exploitation, SMAT et TISSEO ont mis en place une cellule de travail spécifique (cellule POM: Planification / Organisation / Méthode) appliquant la méthodologie suivante: En phase projet: découpage des futurs travaux en tâches, puis, pour chacune de ces tâches, élaboration conjointe (MOA / MOE / Exploitant / CT) de DM (Dossiers de Modification) et d'as (Analyses de Sécurité). L'objectif de cette démarche est de décrire succinctement les travaux et d'y associer les contraintes à respecter par les entreprises (par exemple travaux de nuits, contraintes de protection incendie, ) afin de minimiser les risques, tant du point de vue de la sécurité des usagers que du maintien en exploitation de la ligne. En phase étude d'exécution: Elaboration par les entreprises de DR (Dossiers de Réalisation) et ADS (Analyses Détaillées des Sécurité) décrivant les méthodes de travaux utilisées ainsi que les moyens mis en œuvre pour limiter les risques. Ces DR et ADS sont soumis à l'approbation de MOA / MOE / Exploitant / CT

9 En phase travaux: contrôle par la MOE et le CT de la mise en œuvre des dispositions prévues dans les DR / ADS validés. Le cadencement des travaux en puits (cf. figure 10) a été construit de manière à assurer un niveau de sécurité GAME par rapport à la ligne A avant travaux. En particulier, les travaux de modernisation des puits de désenfumage ont été cadencés de telle manière que des capacités de désenfumage compatibles avec la sécurité des usagers soient conservées lors des travaux. Ceci a conduit, par exemple, à ne jamais entreprendre des travaux sur deux puits consécutifs de la ligne et à limiter à deux le nombre de puits simultanément en travaux. A chaque phase travaux correspond un ensemble de scénarios de "désenfumage travaux" calculés sur la base du modèle de simulation décrit précédemment. Le passage d'une phase travaux à l'autre implique une coordination fine avec l'exploitant s'agissant des procédures de désenfumage à appliquer. Figure 10. Cadencement des travaux des puits de désenfumage. 10 Conclusion / remerciements Cet article a présenté le projet d'amélioration de la sécurité des tunnels de la ligne A du métro de Toulouse dont les travaux, d'une durée de trois ans, s'achèveront fin Les principaux défis du projet étaient : Conduire, sans interruption de l'exploitation du métro, des travaux complexes, multidisciplinaires (électricité, ventilation, contrôle-commande, génie-civil, ) et multi-sites (environ 9.5 km de tunnel, 14 stations, 12 puits de ventilation désenfumage). Garantir, pendant les travaux, un niveau de sécurité adéquat pour les deux cent mille utilisateurs quotidiens de cette ligne. Obtenir, pour les nouveaux systèmes de sécurité mis en place, les performances prescrites par la réglementation sécurité en vigueur tout en minimisant l'impact sur les constructions existantes du métro. Ces défis ont pu être relevés avec succès par l'application d'une méthodologie d'organisation / planification des travaux très élaborée impliquant tous les acteurs du projet dès la phase d'étude; par l'utilisation d'outils de modélisation et de calcul performants ainsi que par une identification / quantification / gestion pertinente des risques. BG Ingénieurs Conseils remercie le Maître d'ouvrage, SMAT, pour l'autorisation de publication de cet article et la participation à sa rédaction