L’environnement technique de la grande vitesse ferroviaire

Bien que chaque pays ait son modèle de réseau à grande vitesse, les lignes à grande vitesse du monde possèdent des caractéristiques techniques et fonctionnelles comparables. Avant tout, une ligne à grande vitesse reste une voie ferrée et en conserve toutes les spécificités fondamentales, sa mission étant de guider les roues d’un véhicule au moyen de rails, dont l’écartement est maintenu constant par des traverses.Toutefois, la grande vitesse se distingue par une série de détails qui, s’ils permettent généralement aux trains à grande vitesse de circuler sur les voies classiques, interdisent la plupart du temps les lignes à grande vitesse aux trains classiques. Ces particularités propres aux lignes à grande vitesse concernent d’une part l’infrastructure – choix du tracé, pente autorisée, rayon de courbure, qualité des matériaux, écartement des rails, appareils de voies – et d’autre part, le matériel roulant – énergie utilisée, signalisation embarquée… –, les deux parties étant étroitement liées.

L’écartement est généralement le même que celui du réseau classique auquel les lignes à grande vitesse sont connectées : voie « normale » de 1 435 millimètres dans la plupart des pays, voie « large » de 1 520 millimètres en Russie. Toutefois, les lignes à grande vitesse au Japon et en Espagne sont aussi à voie « normale », alors que les réseaux classiques de ces deux pays y sont respectivement à voie « étroite » de 1 067 millimètres et « large » de 1 668 millimètres. En Espagne, des trains aux essieux à écartement variable peuvent circuler sur les deux réseaux.

Les lignes à grande vitesse se caractérisent par de grands rayons de courbure et des rampes plus importantes que sur le réseau classique, permises par la conception du matériel roulant dédié. Ces lignes ne comportent aucun passage à niveaux. En ce qui concerne les appareils de voie (aiguillages), leur géométrie et leur cœur mobile doivent permettre un franchissement à grande vitesse, ce qui ne serait pas le cas avec des aiguillages « courts ». Par ailleurs, les vitesses étant plus élevées, les ondes de pression générées par les trains le sont aussi, ce qui oblige à augmenter la distance entre les voies et à travailler la forme et les dimensions des tunnels en conséquence.

Enfin, sur les lignes dédiées aux trains à grande vitesse, du moins celles de conception française, la masse par essieu est limitée à 17 tonnes afin de limiter l’effort dynamique des trains sur la voie.

Comme pour les lignes classiques, la voie peut être posée sur une couche de ballast, méthode la plus traditionnelle, ou intégrée à une dalle béton, méthode retenue entre autres pour les lignes chinoises. Les matériaux disponibles à proximité des chantiers, la nature du terrain rencontré et la nécessité d’avoir ou non recours à des ouvrages d’art ne sont pas étrangers au choix entre la voie sur dalle et la pose sur ballast.

Le ballast est la méthode la moins coûteuse, sauf pour les ouvrages d’art. Il offre une grande souplesse de mise en œuvre, ainsi qu’une cadence de pose et un potentiel de recyclabilité élevés. Le ballast est également un meilleur absorbeur de bruit que le béton. Mais sa durée de vie est plus courte et il nécessite de l’entretien. Et s’il est mal stabilisé, le ballast, constitué de pierres concassées calibrées assez légères, risque d’être soulevé au passage d’un train à grande vitesse et d’occasionner des dégâts sur le train comme aux alentours.

La voie sur dalle ne pose aucun problème de soulèvement. Ses avantages : un moindre volume nécessaire pour poser la voie, une plus grande propreté – pas de poussières – et une meilleure sécurité pour l’évacuation des passagers. Il est même possible de donner à la dalle une forme de part et d’autre des rails afin de limiter les conséquences d’un éventuel déraillement. Les opérations de maintenance sont plus rapides, plus faciles, et l’accès est facilité pour les véhicules. La voie sur dalle a été adoptée dans tous les grands tunnels ferroviaires tels que le tunnel sous la Manche, le tunnel du Saint-Gothard en Suisse ou celui du Sikan au Japon. Selon la principale méthode de pose de voie sur béton, dite Rheda 2000, des traverses bibloc– dont les deux blocs de béton supportant les rails sont reliés par une entretoise métallique – sont mises en position sur une armature métallique au moyen de rails provisoires avant la coulée du béton ; les rails définitifs, sur lesquels rouleront les trains, sont posés ensuite sur les traverses, presque entièrement noyées dans le béton. L’autre type de voie sur béton est la FFB (Feste Fahrbahn Bögl), qui se présente sous forme de dalles préfabriquées.

La traction ne présente rien de très révolutionnaire : c’est la rotation des roues motrices qui fait avancer les trains. Adoptée pour la sustentation magnétique (Maglev), la motorisation linéaire, qui fait du système un gigantesque moteur électrique – avec le train comme rotor et la voie comme stator –, n’a pas été retenue jusqu’à présent pour les trains à grande vitesse sur rails. En matière de motorisation, deux écoles s’opposent fondamentalement : la motorisation concentrée, où les bogies moteurs se trouvent sous deux motrices sans voyageurs, aux extrémités de la rame (TGV, premières générations d’ICE, ETR 500…), et la motorisation répartie, où les bogies moteurs sont répartis tout au long de la rame sous plusieurs voitures assurant le transport des voyageurs (Shinkansen, ICE 3 et dérivés, AGV, Zefiro…). Très progressivement, la motorisation répartie remplace la motorisation concentrée (en Allemagne, en Italie, avec l’Eurostar), mais pour les futures générations commandées par la SNCF (France) ou Amtrak (USA), Alstom prépare actuellement des trains à motorisation concentrée.

Depuis les chocs pétroliers des années 1970, la traction électrique a été généralisée dans la grande vitesse ferroviaire. Même si le prototype TGV 001 de la SNCF était un turbotrain à grande vitesse ! Bien que les tensions et la nature du courant – continu ou alternatif, avec plusieurs fréquences possibles – varient considérablement d’un réseau ferré classique à l’autre, une certaine normalisation s’est établie pour les lignes à grande vitesse à une tension de 25 kV, avec la fréquence pratiquée dans le pays (50 Hz ou 60 Hz). Mais il y a de notables exceptions, comme en Allemagne, où les lignes à grande vitesse ont conservé la même tension (15 kV) et une fréquence (16,7 Hz) équivalente à celle du réseau ferré classique.

L’expérience des premières années sur la ligne à grande vitesse française de Paris à Lyon, a amené la SNCF à limiter le débattement des pantographes assurant le captage du courant, afin de ne pas risquer d’arracher la caténaire qui assure l’alimentation électrique. Ce « plus » apporté après coup aux TGV implique que la caténaire sur les lignes à grande vitesse soit toujours posée à la même hauteur (5,28 mètres au-dessus de la voie, en l’occurrence).

Les lignes à grande vitesse se distinguent visuellement par leur absence de signalisation latérale. À grande vitesse,les conducteurs n’ontpas le temps de lire les signaux classiques, qui sont donc remplacés sur le bord des voies par des « repères » matérialisant les limites des sections de voie appelées «cantons». Les limites de vitesse en vigueur sur les différents cantons sont donc aujourd’hui transmises du sol au train et s’affichent en cabine sur le pupitre du conducteur. On appelle ce système de signalisation en cabine, le Cab signal. En France, cette transmission se nomme TVM (transmission voie-machine), mise en service sur la ligne à grandevitesse Paris-Lyon en 1981 avec la TVM300, puis la TVM 430 sur la LGV Nord en 1993. Aujourd’hui, en Europe, le système ERTMS/ETCS niveaux 1 et 2 est obligatoire pour toute conception d’une ligne à grande vitesse ou pour une mise à niveau majeure des lignes existantes. Le remplacement des signaux classiques par des repères en bord de voie sera donc de moins en moins une spécificité des lignes à grande vitesse. Car le niveau 2 d’ERTMS, opérationnel sur certaines voies classiques, ne met pas en œuvre de signalisation latérale.