Gotthard durchstich franz by SIGWERB GmbH

Les ingénieurs-géomètres dans le plus long tunnel du monde

Bild: AlpTransit Gotthard AG

Edition spéciale en français

Chère lectrice, Cher lecteur, Il y a trop peu d’occasions dans la vie de ressentir un sentiment de fierté pour le travail accompli. La participation à la construction du plus long tunnel du monde en est certainement une. L’ingénieur géomètre est trop souvent perçu comme un acteur mineur au sein des grands chantiers. Sans lui pourtant l’œuvre majeure que constitue la construction d’un grand tunnel ne pourrait pas avoir lieu. Le spécialiste en mensurations va au-devant de beaucoup de défis et de problèmes à résoudre et nous espérons que la lecture de ce fascicule vous aidera à mieux en comprendre la nature. L’IGS est fière de pouvoir vous présenter les articles rédigés par les acteurs de ce «chantier du siècle» et vous souhaite beaucoup de plaisir et d’intérêt à leur lecture.

Maurice Barbieri Président IGS (Ingénieurs Géomètres Suisses)

Editorial

Depuis que les Schwytzois ont rapporté en 1240 la lettre de créance obtenue de la part de l’Italie concernant le col du Gothard, celui-ci a représenté un atout majeur pour la Confédération. Durant les années de la deuxième guerre mondiale, le Général Henri Guisan avait ordonné aux forces armées d’interrompre les transversales ferroviaires alpines du Gothard et du Lötschberg-Simplon si Hitler et Mussolini avaient ordonné une attaque. La Suisse se déclare comme pays neutre, selon l’article 2 de la Constitution fédérale. La Suisse n’est toutefois pas une île peuplée d’égoïstes, c’est pourquoi elle a décidé de prendre en main le gigantesque chantier des «nouvelles transversales alpines» ou NLFA pour le Gothard et le Lötschberg. Le principal bénéficiaire de cet investissement de plusieurs dizaines de milliards n’est toutefois pas la Suisse, mais bien l’Europe. Le résultat – le raccourcissement du trajet Zurich – Milan de 4 heures à 2 h 40 – est toutefois à notre avantage. De pareilles réalisations ne se font jamais en vain: tout d’abord, il convient de se souvenir en silence des travailleurs qui, malgré les mesures de précautions et les moyens modernes, ont payé de leur vie, comme leurs collègues d’il y a plus d’un siècle, pour voir l’achèvement de cette Oeuvre. Rappelons-nous également l’effort et le génie dont il a fallu faire preuve pour achever cet ouvrage. A cela, il convient d’associer la Géomatique suisse. Rappelons-nous: lors de l’achèvement du percement, le 15 octobre 2010, il a été établi que l’erreur effective de l’implantation de l’ouvrage représentait 8 cm dans la direction et 1 cm dans la hauteur. Comment a il été possible pour les ingénieurs-géomètres et les autres professionnels d’atteindre une telle précision? En plus des implantations et des travaux de surveillance, il est désormais possible d’orienter la construction des instruments de manière a atteindre la précision souhaitée. Il a ainsi été possible de minimiser les influences dues aux conditions atmosphériques qui peuvent fausser les mesures et de garantir les mesures de direction grâce au puits vertical de Sedrun qui mesure 800 m de profondeur. Une avancée majeure a en tout cas été la transition entre le bon vieux réseau de triangulation et les mesures de positionnement par satellite et le laserscanning. La mensuration, intégrée dans mon département de la DPPS a une nouvelle fois permis une prestation de pointe, ce qui me rend fier. J’espère que cette publication servira également à convaincre les lectrices et les lecteurs et pourra être utilisée comme référence technique par les spécialistes, mais dans tous les car servir de témoin, car depuis Pestalozzi, nous savons que: L’homme a des capacités illimitées s’il le veut bien!

Avec mes salutations amicales Ueli Maurer Conseiller fédéral

Sommaire

Editorial

AlpTransit Gotthard

R. Simoni: Tunnels de base du Gothard et du Ceneri: la nouvelle ligne ferroviaire du Gothard se concrétise

U. Weidmann: AlpTransit: une voie de circulation européenne à travers les alpes suisses

H. Ingensand: Technologies et concepts modernes pour résoudre les problèmes de mesures dans le cadre du projet AlpTransit

R. Stengele, I. Schätti-Stählin: Mesures de base et de contrôle dans le tunnel de base du Gothard

F. Ebneter: Les défis (de la mensuration) au début du projet, lorsque tout était encore à faire

A. Carosio: La mensuration du plus long tunnel ferroviaire du monde La vision de l’expert du maître d‘ouvrage

R. Deicke: Défis technologiques en matière de mensuration lors de la construction du tunnel de base du Gothard. Point de vue de l’entrepreneur

M. Messing: Contrôles du tunnelier au Gothard

A. Wiget, U. Marti, A. Schlatter: Contributions de la mensuration nationale au tunnel de base du Saint-Gothard, cœur du projet AlpTransit

D. Stähli, M. Baumeler, Th. Silbermann: La mensuration de la technique ferroviaire au tunnel de base du Gothard

H. Heister, W. Liebl: L’insécurité de mesure des relevés au gyroscope dans le tunnel de base du Gothard

D. Salvini, M. Studer: Monitorage géodésique de de longue durée sur des barrages en haute montagne

U. Bättig, S. Bühler, D. Eberhart, R. Bänziger: Travaux de mensurations polyvalents à l’extérieur du tunnel dans les constructions externes de Altdorf-Erstfeld, Amsteg et Faido

J. Gämperle, M. Furrer: Mesures de surveillance au portail d‘Erstfeld

C. Bernasconi: Le rôle de la mensuration dans le chantier du tunnel du Monte Ceneri

Sommaire

Th. Heiniger: Géomonitorage au portail nord du tunnel de base du Ceneri

B. Bürki, S. Guillaume: Mesures astro-géodésiques des déviations de la verticale et des azimuts pour AlpTransit

A. Geiger, A. Schlatter: De la théorie du potentiel aux tassements décelés au col du Saint-Gothard

H.-U. Riesen: La mensuration du tunnel de base du Lötschberg après la jonction principale

B. Tanner: Mensuration pour la technique ferroviaire dans le tunnel de base du Lötschberg

M. Bertges: Monitoring – Un défi relevé

R. Probst, D. Fasler Isch: Un long travail de précision salué par 300 spécialistes de la mensuration

100

AlpTransit Gotthard

Tunnels de base du Gothard et du Ceneri: la nouvelle ligne ferroviaire du Gothard se concrétise Avec AlpTransit Gothard une ligne ferroviaire à faible déclivité orientée vers l’avenir est entrain d’être créée à travers les Alpes qui permettra une amélioration significative des possibilités de voyage et de transport sur rail au coeur de l’Europe. Le tunnel de base du Gothard – avec 57 km le plus long et jusqu’à 2500 m de recouvrement le plus profond du monde – est la pièce maîtresse de la nouvelle liaison ferroviaire. Au sud, dans le canton du Tessin le tunnel de base du Ceneri, long de 15,4 km se situe dans le prolongement du tunnel de base du Saint-Gothard. Ainsi la nouvelle ligne ferroviaire du Gothard deviendra une ligne continue à faible déclivité à travers les Alpes.

R. Simoni Dans le cadre de plusieurs votations, le peuple suisse s’est clairement prononcé en faveur de la protection de l’espace alpin très sensible et d’une politique de transport adéquate. Le trafic de marchandises doit dans la mesure du possible être transféré de la route au rail. La nouvelle ligne du Gothard, en tant qu’infrastructure centrale, favorise la mise en oeuvre de cette politique de transfert du trafic. En raison de leurs dimensions et de la longue phase de planification et de travaux, les tunnels du Gothard et du Ceneri peuvent être qualifiés d’ouvrages du siècle. Plusieurs générations d’ingénieurs, de concepteurs, de géomètres et plusieurs milliers de mineurs contribuent à leur concrétisation.

base. L’absence de virages à rayons serrés autorisera un trafic productif de trains longs et lourds. Par conséquent, l’offre pour le transport de personnes et de marchandises pourra être nettement améliorée. Le nouveau tracé de la ligne permettra au fret – comparé à aujourd’hui – la circulation de trains de marchandises deux fois plus longs et lourds. Des volumes identiques pourront être transportés en utili-

sant moins de locomotives et de personnel. Les convois de marchandises avec une charge remorquée supérieure à 2000 tonnes traverseront la Suisse sans arrêt et sans locomotives intermédiaires ou de poussée. Le nombre de trains de marchandises d’environ 140 par jour à l’heure actuelle passera à 220 sur la nouvelle ligne du Gothard. Le transfert de la route au rail n’est pas seulement judicieux sur le plan économique mais aussi sur le plan écologique. Avec le projet AlpTransit Gotthard, la Suisse intègre le réseau européen à grande vitesse pour le trafic des voyageurs. Les futurs trains de passagers circuleront sur les nouvelles lignes à une vitesse maximale de 250 km/h. Grâce aux tunnels de base du Gothard et du Ceneri, la durée du trajet entre Zurich et Milan se réduira en passant de 4 heures à 2 heures et 40 minutes. En outre, les horaires des correspondances de la Suisse et de l’Italie seront optimalisés à Zurich et Milan.

Tunnel de base du Gothard Concept de construction et tracé Le tunnel de base du Gothard, de 57 km de long, comprend deux tubes parallèles à voie unique. Ils sont situés à 40 m de

Ligne de plaine continue à travers les Alpes Une ligne de plaine est construite à travers les Alpes par AlpTransit Gotthard. Le point le plus élevé de la ligne ferroviaire est situé à 550 m au-dessus du niveau de la mer, à la même altitude que la ville de Berne. Le tracé étendu de la ligne de plaine présente une déclivité maximale de 12.5 pour mille sur le tronçon à ciel ouvert et de 8.0 pour mille dans le tunnel de 4

Fig. 1: Le système de tunnel au Gothard.

AlpTransit Gotthard

Fig. 2: Consolidation de la roche par des cintres flexibles en acier dans la section de Sedrun. distance l’un de l’autre et sont reliés par des galeries transversales environ tous les 325 m. A Sedrun et Faido, au tiers de sa longueur, se trouvent les stations multifonctions comprenant des diagonales d’échange (échangeurs), des installations partielles du système de ventilation, des locaux techniques avec des équipements de sécurité et de distribution d’énergie électrique ainsi que deux stations de secours reliées directement entre elles par des galeries séparées. En raison de la géologie, le tunnel de base du Gothard se déroule – à grande échelle – en forme de S entre le portail nord Erstfeld et le portail sud Bodio. La ligne traverse des roches favorables à la technique de construction si possible et évite les recouvrements rocheux encore plus élevés. Par ailleurs, l’emplacement des portails et l’optimisation de la longueur et de l’emplacement des points d’attaque intermédiaires étaient déterminants pour le choix du tracé. Les possibilités d’accès et d’aménagement, les risques d’avalanches et d’inondations, les affaissements et les éboulements de roche et la nappe phréatique représentaient les critères les plus impor-

tants pour le choix de l’emplacement des points d’attaque intermédiaires. Construction simultanée à partir de 5 sections Afin d’optimiser la durée et les coûts des travaux, l’avancement a été démarré si-

multanément à partir des portails à Erstfeld et Bodio et des trois points d’attaque intermédiaires à Amsteg, Sedrun et Faido. Ces derniers ont permis de faciliter la logistique des chantiers mais également l’approvisionnement en air frais. Des tunneliers pour roche dure, avec des têtes de forage de 8.8 m à 9.58 m de diamètre, ont été mis en service pour l’excavation des sections Erstfeld, Amsteg, Faido et Bodio. Les tubes principaux de la section Sedrun ont été creusés selon la méthode conventionnelle à l’explosif pour des raisons géologiques. La consolidation de l’excavation consiste à fixer systématiquement des ancrages et à appliquer du béton projeté directement à partir des tunneliers. Ces machines sont également en mesure de poser une structure en acier sous forme de cintres partiels ou entiers. Le radier du tunnel est construit dans la partie arrière du tunnelier avec du béton coulé sur place. Les tubes sont ensuite étanchéifiés lors des chantiers suivants. On procède à une étanchéité complète en cas d’arrivée d’eau importante ou dans un secteur à eau agressive. Le revêtement intérieur n’est pas armé dans la section normale. Son épaisseur est de 30 à 35 cm en règle générale et de 120 cm maximum en cas de fortes poussées de la roche. Les ban-

Fig. 3: Record mondial au Gothard: le 15 octobre 2010, les mineurs ont fêté le percement principal du tube est dans le tunnel de base. 5

AlpTransit Gotthard

quettes, les collecteurs d’eaux d’infiltration et les installations pour le câblage sont réalisés dans une phase de travaux ultérieure. Les tubes à voie unique achevés présentent une section libre minimale de 41 m2 (diamètre utile d’env. 8.4 m). Etat d’avancement des travaux au Gothard A la mi-octobre 2010, 2.4 km, soit 1.6%, de tunnel, galerie et puits restaient encore à creuser sur l’ensemble des 151.8 km du Gothard. Les travaux de bétonnage se poursuivent dans les deux tubes. Début octobre, 104.9 km de radier (92%) et 67.8 km de voûte (59%) étaient bétonnés sur les 114.6 km de travaux d’aménagement intérieur au total. Le 15 octobre, le premier percement principal du tunnel de base du Gothard a eu lieu dans le tube est entre Sedrun et Faido. Dans le tube ouest, il est prévu d’excaver le dernier morceau de roche entre Faido et Sedrun en avril 2011. La couverture rocheuse est de 2500 m au point de percement. C’est avec une très grande précision que la percée a été effectuée. On a mesuré un écart horizontal de 8 cm et un écart vertical de 1 cm. Les chantiers ont progressé de façon variable dans les différentes sections. Le tracé ferroviaire et les différents ouvrages d’art sont en construction pour la ligne

d’accès à ciel ouvert nord (AltdorfRynächt). Le déplacement temporaire de la route et de la voie s’avérait nécessaire. Le creusement des tubes est terminé dans la section Erstfeld depuis la mi-2009. Les travaux avancent dans les deux tunnels à ciel ouvert, qui formeront la partie la plus au nord du tunnel de base du Gothard. La section Amsteg est prête depuis décembre 2009 pour l’installation de la technique ferroviaire. Dans les sections Faido et Sedrun, l’accent est mis sur l’achèvement des travaux d’avancement, l’aménagement intérieur des stations multifonctions et le revêtement des tubes. Dans la section Bodio, l’installation de la technique ferroviaire a déjà démarré dans le tube ouest. Le tube est continue d’être utilisé pour l’approvisionnement des chantiers du tunnel à Faido. La construction de la ligne d’accès à ciel ouvert sud est achevée, et les travaux du nouveau centre de gestion du trafic des Chemins de fer fédéraux suisses (CFF) sont en cours. L’ensemble du trafic ferroviaire entre Arth-Goldau et Chiasso sera géré dans le futur à partir de cette «Centrale d’esercizio di Pollegio» (CEP). Equipement ferroviaire Les tubes à voie unique sont bétonnés sur plus de 40 km dans les trois sections Amsteg, Sedrun nord et Bodio ouest et prêts

Fig. 4: L’installation de la technique ferroviaire a démarré en mai 2010 dans le tube ouest achevé de la section Bodio. 6

pour l’installation de la technique ferroviaire. En mai 2010, le montage des équipements ferroviaires a démarré au portail sud dans la section Faido-Bodio ouest, au même moment où s’achevait le gros œuvre dans les autres sections du tunnel. Dans la section Faido-Bodio ouest, 14 km de voie ferrée, de caténaire et d’alimentation en courant sont installés ainsi que les infrastructures de télécommunication et de sécurité des trains et les équipements des galeries transversales. D’innombrables courses d’essai seront ensuite effectuées sur cette section. Au nord, le montage principal de la technique ferroviaire s’effectuera à partir de 2013. La mise en service commerciale du tunnel de base du Gothard conformément aux horaires est prévue en 2017. La technique ferroviaire comprend d’une part les équipements fixes tels que la voie ferrée bétonnée, les caténaires, l’alimentation en courant, l’alimentation en courant de traction 16.7 Hz, ainsi que les installations de télécommunication pour le réseau fixe, la radio et les dispositifs de sécurité. D’autre part, des équipements temporaires tels que l’alimentation en courant de chantier, la communication par radio et le système d’aération sont nécessaires durant la période de montage et sont prioritaires. L’espace très réduit dans le tunnel de base représente le plus grand défi pour l’installation de la technique ferroviaire. L’ensemble du matériel doit être acheminé par les deux portails, c’est-à-dire exclusivement par rail. L’accès pour les véhicules sur pneus et principalement les possibilités de faire demi-tour sont très limités dans le tunnel d’une longueur de 57 km. La logistique pour le montage des équipements ferroviaires est assurée par les deux aires d’installation Biasca au sud et Altdorf/Rynächt au nord. Plus de 1000 interfaces doivent être coordonnées pour permettre un trafic ferroviaire sans problèmes dans le tunnel de base du Gothard. Le matériel indispensable comprend entre autres 31 000 m³ de béton pour la voie ferrée, 308 km de rails, 3200 km de câbles en cuivre pour l’alimentation en courant, 417 bornes d’appel d’ur-

AlpTransit Gotthard

et galerie étaient creusés. L’avancement au Ceneri est réalisé exclusivement avec la méthode conventionnelle à l’explosif. L’avancement principal démarre à partir de Sigirino et les mineurs progressent dans les deux tubes en direction nord et sud. En outre, des avancements en sens inverse évoluent à partir des portails nord (Vigana) et sud (Vezia près de Lugano). Ces travaux d’excavation devront être terminés en 2015. Ensuite, l’équipement ferroviaire sera également installé dans le tunnel de base du Ceneri. Sa mise en service est prévue en 2019.

Fig. 5: Forage de trous pour l’avancement à l’explosif au portail nord du tunnel de base du Ceneri. gence et 120 km de câbles rayonnants pour la radio.

Tunnel de base du Ceneri Concept de construction Le tunnel de base du Ceneri comprend également deux tubes parallèles à voie unique, reliés entre eux par des galeries transversales environ tous les 325 m. Sa longueur est de 15.4 km. Des échangeurs ou des stations multifonctions ne sont pas prévus. Début octobre 2010, presque 24 % de l’ensemble des 39.78 km de tunnel

Etat d’avancement des travaux au Ceneri A Carmorino, dans le secteur nord du portail nord du futur tunnel, divers travaux ont été réalisés concernant des ouvrages d’art et des projets partiels tels que des canaux, des ponts et des passages souterrains. Ils permettront le futur raccordement du tunnel de base du Ceneri à la ligne CFF existante. Les avancements ont déjà commencé en 2009 dans le secteur du portail nord à Vigana. Ils ont été exécutés avec une grande vigilance en raison de la distance verticale très réduite par rapport à l’autoroute A2 qui passe au-dessus. En mars 2010, le premier dynamitage a été effectué au point d’attaque intermédiaire Sigirino pour l’avancement principal en direction nord et sud. Puis, en avril 2010, le dynamitage initial a également eu lieu au portail sud à Vezia pour les 300 premiers mètres de l’avancement du tunnel en direction nord. Au portail sud, la proximité des zones d’habitation, entre autres la Villa Negroni datant de la fin du 17e siècle, et des infrastructures de chantier exige beaucoup de précaution durant le creusement.

Résumé Le projet AlpTransit Gotthard donne naissance à une ligne ferroviaire de plaine à travers les Alpes, résolument tournée vers l’avenir. Les deux tunnels de base au Gothard et au Ceneri forment l’infrastructure centrale de cette nouvelle liaison. Ils permettront de réduire la durée du trajet en train entre Milan et Zurich à moins de 3 heures. Il en résulte aussi une remarquable amélioration du trafic transalpin des marchandises basé sur le rail. Le tunnel de base du Gothard, situé entre le portail nord à Erstfeld et le portail sud à Bodio, est le plus long et le plus profond du monde avec 57 km et une couverture rocheuse de 2500 m. Le percement principal dans le tube est a été fêté le 15 octobre 2010. La mise en service du tunnel, conformément aux horaires, est prévue pour la fin de l’année 2017. Le tunnel de base du Ceneri, avec une longueur de 15.4 km, relie Vigana au nord et Vezia près de Lugano au sud. Le premier train circulera probablement dans le Ceneri en 2019.

Dr. Renzo Simoni Président du Comité de direction de AlpTransit Gotthard SA Zentralstrasse 5 CH-6003 Luzern renzo.simoni@alptransit.ch

AlpTransit Gotthard

AlpTransit: une voie de circulation européenne à travers les alpes suisses Les trains de montagne ont une particularité: la desserte de la région de montagne en elle-même est reléguée à l’arrière-plan alors que la liaison des régions séparées par la montagne est bien plus importante. Si celles-ci sont situées dans le même pays le train est censé promouvoir la cohésion nationale, si elles sont situées dans des pays différents la ligne devient internationale. La combinaison des deux cas de figure est très exigeante. Pour cette raison la prise de décision est inhabituelle. Si celle-ci tombe dans une phase de politique extérieure délicate cette aspect-là prend une importance déterminante – comme pour la ligne du Saint-Gothard par exemple. En Suisse les flux de trafic ne se concentrent pas sur un axe organique prédominant car trois corridors se concurrencent à l’ouest, au milieu et à l’est. Toutefois, le potentiel ne suffit pas pour trois transversales ferrovières, raison pour laquelle au 19 ème puis à nouveau au 20 ème siècle il a fallu faire un choix. Celui-ci a été marqué de façon déterminante par les cantons, mais les proportions des majorités n’étaient pas très claires et ont rendu les prises de décisions difficiles.

Prof. Dr. Ulrich Weidmann

1845–1882: Création de la desserte alpine du Gothard Le trafic de transit par le col du Gothard a acquis, depuis la traversée de la gorge du Schönellen, une importance stratégique et économique, ceci même si les volumes transportés paraissent modestes au vu des conditions actuelles. Les premiers projets de transversales alpines datent de 1845, avant même que la première liaison ferroviaire soit réalisée dans notre pays. A l’époque, les doutes étaient énormes, si bien que MM Stephenson et Swinburne, les conseillers grisons en matière de rail préconisèrent en 1850 de renoncer aux transversales alpines. Bien qu’ils adhéraient à la vision britannique ambitieuse en matière de constructions ferroviaires, la faisabilité de tels projets n’était pas encore établie en Europe. Trois innovations de base ont changé la donne: Tout d’abord le tracé du Semmering a prouvé qu’une pente de 25‰ et des rayons de 190 m étaient possibles. Ensuite en 1871, la ligne ferroviaire de la Forêt Noire s’est écartée pour la première fois de la pente naturelle du terrain, grâ8

ce à un allongement artificiel de la longueur du tracé. Enfin l’ouverture de la ligne du Mont Cenis également en 1871 a permis d’effectuer un bond dans le technique de forage. A l’issue d’un processus tumultueux, Alfred Escher a ouvert une voie politique à la ligne du Gothard grâce à son changement d’avis. Il avait en effet dans un premier temps soutenu l’idée d’un tracé alpin à l’Est. A ceci est venu se greffer l’intérêt porté par l’Allemagne et l’Italie au projet, qui ont versé respectivement 45 et 20 millions de francs sur les 187 millions devisés pour l’ensemble du projet. Le tracé lui-même présentait de gros avantages, comme un tunnel à 800 m d’altitude en comparaison avec des funiculaires obsolètes. Les caractéristiques du tronçon réalisé en 1882 déclassent définitivement tout autre projet ferroviaire de montagne connu à ce jour.

1946–1983: Des projets non concluants pour le tunnel de base du Gothard La ligne du Gothard est restée chère, en dépit d’améliorations techniques apportées. Pour cette raison, l’idée d’un tunnel de base a été reprise en 1946. En 1963,

la commission d’étude «Groupe d'étude du tunnel du Gothard sur une liaison routière praticable en hiver» a préconisé la construction d’une autoroute à travers le Gothard, en même temps que la création de la ligne ferroviaire de base. La priorité donnée au Gothard a provoqué, à l’ouest comme à l’est, des contre réactions. Malgré cela, elle a été acceptée par la Commission «Tunnel ferroviaire à travers les Alpes» (CTA) en 1970 et l’ancien Département fédéral des transports, des communications et de l'énergie (DFTCE) a rendu public son concept en 1973, y compris le tracé bidirectionnel sur la ligne du Lötschberg et la construction du tunnel de base du Gothard. Le premier projet a été réalisé de 1977 à 1992. Le conflit interrégional entre le Gothard et le Splügen y a contribué. Ainsi que la «promesse fédérale d'une liaison ferroviaire alpine Est» du conseil fédéral de 1878. Le groupe de contact «Lignes ferroviaires de transit St-Gothard / Splügen» ne pouvait se résoudre à une recommandation claire en 1979. Pendant ce temps, on a assisté à une érosion claire du trafic de transit des marchandises due à la situation économique et à la pression du commerce. Le Conseil fédéral a statué sur le projet en 1983. L’ouverture de l’autoroute A2 en 1981 a sonné le glas de la success story de la ligne ferroviaire du Gothard. Le trafic des personnes a chuté de 7 millions de voyageurs en 1979 à 3 millions en 2009. Pour le trafic de marchandises, la part du rail a passé de 90% à 65%. En 1999 est entrée en vigueur la libéralisation du transport de marchandises par le rail et l’axe du Lötschberg-Simplon a gagné des part du marché au dépens du Gothard. Au lieu des traditionnels 75%, il ne représentait désormais plus que le 55% du trafic de transit du reil en Suisse.

1985–1994: Décision sur Alptransit et article sur la protection des Alpes Le parlement a examiné en 1986 le message sur Rail 2000 qui ne traitait pas de la problématique des transversales al-

AlpTransit Gotthard

Fig. 1: Esquisse d’un tunnel de base du Gothard, publiée par Eduard Gruner, 1947 (Collection de l’auteur).

pines. Les éventuelles perspectives pour les cantons du Valais et du Tessin s’étaient ainsi envolées pour longtemps. Des pressions politiques ont toutefois accéléré le principe de construction d’une nouvelle transversale alpine et le ton a changé: l’augmentation du trafic des camions a dépassé les estimations, car le A2 est avant tout une liaison pour le transport des personnes. Dans le même temps l’on a eu des craintes de destruction de la forêt par crainte des nuisances dues au transport routier. Exactement en même temps l’Union Européenne prônait la libéralisation du transport routier par des camions de 40 tonnes. Cette situation apparemment insoluble a favorisé la renaissance politique des transversales alpines. Le Conseil fédéral a demandé un nouvel examen des variantes proposées. Treize cantons se prononcèrent pour le Gothard, sept pour le Lötschberg et six pour le Splügen. Le message de 1990 a proposé, confronté à une pression économique extrême, la réalisation simultanée de deux axes, le Lötschberg et le Gothard. C’est ce qui a été décidé en votation par les citoyennes et les citoyens en 1992. La Suisse pouvait ainsi proposer à l’UE de se soumettre à la redevance sur le trafic des poids lourds liée aux prestations (RPLP) à son taux maximum dès l’ouverture du tunnel du Lötschberg et de respecter l’interdiction de trafic le dimanche. Elle a dû par contre accepter une augmentation de poids des camions à 40 tonnes à partir de 2005. La ligne du Lötschberg a du en outre été adaptée immédiatement pour

le ferroutage de camions d’un gabarit de 4.0 m. Ceci ne fut cependant pas suffisant pour les parties concernées: en 1989, l’association «Initiative des Alpes Pour la protection des régions alpines contre le trafic de transit» a lancé une initiative du même nom qui préconisait que «le trafic de marchandises à travers la Suisse sur les axes alpins s’effectue par rail». Lors d’une votation épique, l’initiative fut acceptée en 1991 par 51.9% des voix. Elle constitue désormais l’article 84 de la Constitution fédérale.

service en décembre 2007, le Gothard ne sera ouvert vraisemblablement qu’en 2016 ou 2017 et le tunnel de base du Ceneri en 2019. La voie unique au Lötschberg constitue aujourd’hui une contrainte opérationnelle douloureuse. La loi relative à l’article sur la protection des Alpes a également pris un certain temps pour être élaborée et n’a pu être mise en fonction qu’en 2001. Elle formule une limite de capacité qui sera de 650'000 camions au maximum par année. Ce chiffre devra être atteint au plus tard en 2009. Après un succès initial, le trafic des poids lourds a à nouveau augmenté dès 2007 pour atteindre vraisemblablement à nouveau en 2010 1,3 millions d’unités. La limite initialement fixée à 650'000 unités dans la Loi sur le transfert du trafic marchandises de 2008 a toutefois été prévue pour 2019.

Le tunnel de base du Gothard et le transport de personnes Le tunnel de base du Gothard permettra, grâce à la diminution du temps de trajet

1995–2010: Redimensionnement et Loi sur le transfert du trafic marchandises Le transport de marchandises avait atteint un nouveau pic. Il a par contre chuté d’un quart jusqu’en 1996. Dès 1994 des doutes ont surgi quant à la rentabilité et en 1995 le projet a été redimensionné. Le trafic bidirectionnel au Lötschberg e été en particuliers limité au tiers sud du tracé. Sur l’axe du Gothard, l’on a renoncé au tunnel du Zimmerberg 2, à la liaison Arth-Goldau – Erstfeld (Urmiberg- et Axentunnel), ainsi qu’au contournement de Bellinzone. Autrefois, l’on partait d’une mise en service du Lötschberg en 2006 et du Gothard en 2008, c’est la raison pour laquelle la réduction du premier se justifiait. En réalité, les deux ouvrages ont connu des évolutions calendaires différentes: Alors que le tunnel du Lötschberg a pu être mis en

Fig. 2: Proposition 6c du «Groupe d'étude du tunnel du Gothard sur une liaison routière praticable en hiver» de 1963 (Collection de l’auteur). 9

AlpTransit Gotthard

Zurich vont rester supérieurs à une heure. Par contre, les possibilités de séminaires ou de congrès vos être augmentées.

Le tunnel de base du Gothard et le transport de marchandises

Fig. 3: Un projet de tunnel de base différent: Etude TRANSAS de 1972 de l’Office fédéral des transports. Transport de véhicules avec une vitesse maximale de 210 km/h (Collection de l’auteur). en train d’une heure environ de mettre le Tessin à une journée aller et retour de la plus grande partie de la Suisse allemande et ceci modifie par conséquent les données géoéconomiques. Le rail devient également plus concurrentiel vis-à-vis de la route. Le tunnel du Lötschberg avait déjà occasionné une augmentation de la demande d’environ un tiers avec le Gothard, l’effet sera encore plus marqué. A plus long terme, l’on peut envisager à nouveau 18 à 19 000 voyageurs par jour par le rail, ce qui représentait la quantité de voyageurs avant l’ouverture de l’autoroute. La plus grande partie du trafic devrait être constitué par le trafic intérieur, en particulier par les vacanciers et les voyageurs

d’affaires, et dans une moindre mesure par le trafic de transit entre la Suisse et l’Italie. Cependant un trafic de transit sera inévitable à long terme, car les grands centres qui sont situés au Nord et au Sud des Alpes sont trop éloignés. L’organisation spatiale de la Suisse méridionale va ainsi être modifiée, comme le démontre déjà actuellement l’augmentation des investissements aux alentours des grandes gares. Pour le tunnel de base du Lötschberg, l’on a constaté une augmentation des voyageurs qui se déplacent quotidiennement vers leur lieu de travail situé au Nord des Alpes. Ceci doit cependant être relativisé dans le cas du Gothard, car les déplacements vers Zoug, Lucerne ou

Les perspectives sont moins bonnes pour le trafic de marchandises. Le tunnel du Gothard seul ne permettra pas d’atteindre les buts fixés par la loi sur le transfert du transport de marchandises. Bien que le temps de trajet et par conséquent les coûts liés au transports sont moindres, les liaisons de transit relativement longues en amoindrissent les conséquences, si bien que le gain résultant est estimé à environ 2.5%. Les éléments clés pour une politique du «just in time» sont la ponctualité et la flexibilité des Fahrplanlagen. Ceci demande de la souplesse au niveau des infrastructures ferroviaires. Le redimensionnement du projet conduit dans le cadre du tunnel de base du Gothard à une série de difficultés qui ne pourront que difficilement être éliminées par le projet «Futur développement de l’infrastructure ferroviaire (ZEB)». Une difficulté supplémentaire vient du fait que un demi million de camions évitent la Suisse, en particulier par le Brenner. Ce-

Tronçon

Mise en service

Perte maximale [‰]

Rayon minimal [m]

Altitude du point culminant [m au-d. d. l. mer]

Semmering

1854

25.0

190

898

1430

Brenner

1867

25.0

285

1371

–

Mont-Cenis

1871

30.2

345

1298

13 657

Schwarzwald

1871

20.0

300

832

1698

Gotthard

1882

27.0

280

1155

15 003

Arlberg

1884

31.0

250

1311

10 250

Simplon

1906

25.0

300

705

19 803

Tauern

1909

27.0

250

1226

8551

Karwendel

1912

36.5

200

1185

–

Ausserfern

1913

32.0

190

1128

512

Lötschberg

1913

27.0

300

1240

14 612

Tenda

1928

25.0

300

1073

8099

Tab. 1: Paramètres du trafic ferroviaire européen de montagne de la première génération. 10

Longueur [m]

AlpTransit Gotthard

Fig. 4: Train de transport combiné sur la rampe sud du Gothard, près de Lavorgo (Photo CFF SA).

ci démontre le peu de compréhension de nos pays voisins pour la solution préconisée en Suisse. Un comparatif sur des critères de sécurité et sociaux entre le rail et la route est difficilement réalisable. Enfin, la proposition pendante de certains pays d’introduite des camions avec une longueur maximale de 25 m et un poids maximal de 60 tonnes serait un désaveu de la politique des transports en Suisse orientée vers l’écologie. Bien entendu, l’espoir demeure que l’introduction des 60 tonnes en Europe soit contestée et que l’Union Européenne reconnaisse l’importance stratégique des lignes ferroviaires de transit en Suisse. Le corridor A (Rotterdam – Gènes) a ainsi été désigné comme pionnier afin de devenir opérationnel dès 2015.

Conclusion Est-ce que le tunnel de base du Gothard constitue une voie de communication eu-

Mode de transort

Fig. 5: NLFA en tant qu’élément clé de comparaison des intérêts Suisses, Européens et des régions concernées (par l’auteur).

ropéenne? En tout cas, comme le démontre l’histoire de sa réalisation, il représente et représentera certainement une voie européenne pour le trafic de marchandises. Il se situe sur l’un des axes du transport de marchandises le plus fréquenté du continent. Il sera financé exclusivement par la Suisse, car le financement par des entreprises étrangères selon le barème de prix fixe ne sera certainement pas rentable. De ce fait, l’importance du trafic national des personnes est l’aspect le plus important. Il représente en outre une composante régionale importante, en raison de ses retombées géopolitiques, qu’elles soient négatives ou positives. La NLFA est susceptible d’être considérée comme un lien au sens réel comme au figuré. Elle représente un élément clé et ce depuis 25 ans, des 544 négociations bilatérales entre la Suisse et l’UE. La Suisse a ainsi proposé une solution originale à une question de politique extérieure. Son

succès ne dépend pas entièrement de notre pays. La NLFA représentera certainement à l’avenir pour l’UE une pierre angulaire de sa propre politique des transports et de sa volonté de respecter l’environnement, et ceci de façon bien plus marquée qu’actuellement. Références auprès de l’auteur

Prof. Dr. Ulrich Weidmann Institut für Verkehrsplanung/ Transportsysteme ETH Zürich Wolfgang-Pauli-Strasse 15 CH-8093 Zürich weidmann@ivt.baug.ethz.ch

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

8.9

10.4

10.6

11.6

12.5

12.9

14.2

14.6

Rail total

20.6

20.8

19.3

20.5

23.0

23.7

25.2

25.3

25.5

dont Gothard

16.8

16.0

16.2

15.5

dont Simplon

3.8

7.0

9.0

9.8

10.0

38.1

39.5

40.1

Route

Total

29.5

31.2

29.9

32.1

35.5

36.6

Tab. 2: Quantité de marchandises transportées à travers les alpes suisses en mio de tonnes nettes (DETEC rapport sur le transfert janvier 2007 – juin 2009). 11

AlpTransit Gotthard

Technologies et concepts modernes pour résoudre les problèmes de mesures dans le cadre du projet AlpTransit Lors de la construction du tunnel de base du Gothard des exigences extrèmement élevées se sont posées aux spécialistes de la mensuration qui n’ont pu être satisfaites qu’avec des idées novatrices et le développement de nouvelles méthodes de mensuration. Parallèlement aux piquetages d’ouvrages et tâches de monitoring des développements d’avant-garde dans la construction d’instruments ont été réalisés notamment dans les annés 90 sans lesquels les exigences de précision n’auraient pas pu être remplies.

H. Ingensand

Nouvelles technologies de mesure dans le cadre du projet du tunnel de base du Gothard L’ancienne triangulation et trilatération pour l’établissement d’un réseau de référence (Elmiger et al., 1993) a été complètement remplacée par la suite par GPS et ensuite par GNSS. L’EPFZ a réalisé en 2005 un record du monde en contrôlant simultanément le réseau de référence grâce à 28 récepteurs GNSS (Ryf, 2006). Les niveaux de précision digitaux, qui ont été produits dès 1995 par tous les grands constructeurs sont aujourd’hui devenus indispensables en matière de technique de nivellement. Les très faibles différences obtenues lors de mesures dans les tunnels plaident en faveur de la précision de cette technologie basée sur le traitement d’image. Une technologie d’éclairage homogène pour lattes de nivellement a en outre été développée dans le cadre de mesures dans des tunnels. Grâce à ces niveaux digitaux, il a été possible de déterminer des affaissements dans le cadre du tunnel routier du Gothard (Swisstopo, 1998). 12

Le système de monitoring installé en 1999 à la suite de ces affaissements pour les barrages Nalps, Cunera, St. Maria et les terrains environnants n’aurait pas été possible sans la nouvelle génération des systèmes de monitoring et en particulier les tachymètres robotisés. Grâce aux systèmes combinés avec le GPS et d’autres senseurs, i lest possible de mesurer des mouvements des barrages ou des côtés de la vallée inférieurs au millimètre. La nouvelle technologie du laserscanning qui a vu le jour au début du 21ème siècle a également participé a améliorer la technique de mesure dans les tunnels. En 2002 déjà, les premiers essais de monitoring de tunnel ont été effectués pour déterminer la géométrie des tunnels. Entre temps, le laserscasnning s’est imposé comme méthode standard pour le monitoring des tunnels (Zogg, 2007) et se retrouve dans les dossiers des tunnels. L’EPFZ a également en parallèle en 1997 un «Tubemètre» dans le cadre d’une étude pour minimiser les risques. Son but était de pouvoir mesurer une différence géométrique avent le percement dans un forage. Techniquement, il s’agit d’une «polygonale glissante» avec laquelle il est possible de déterminer de différences d’altitude successives au moyen de mesures d’inclinaison.

Réfraction et turbulences dans les projets de construction de tunnels Les problèmes principaux des technologies actuelles de mesures qui sont toujours plus précises sont les influences de l’atmosphère et en particulier la réfraction et les turbulences. Ces influences doivent être prises en considération et modélisées de façon précise en particulier lors de projet de construction de tunnels ou lors de monitoring de barrages. Des mesures détaillées dans les tunnels, en particulier dans le secteur du portail ont été réalisées en 1997 dans les tunnels de la Vereina et de l’Albula par l’EPFZ grâce à un système mobile de mesure du gradient de température développé pour l’occasion (Hennes et al., 1999). En parallèle l’on a développé à l’EPFZ un dispensomètre à deux couleurs, qui permet de réaliser une visée sans réfraction, dans la mesure où les différences dues à l’atmosphère sont visualisées par les lasers bleus et rouges et ensuite compensées pour donner une visée sans réfraction (Figure. 4). Malheureusement, les défis technologiques pour obtenir les deux lasers bleus et rouges, ainsi que la détection de ces derniers sont très importants, si bien que il n’a pas été possible d’appliquer cette technologie à des instruments géodésiques. La faisabilité des cette technique a pourtant été prouvée. (Böckem, 2001).

Report des directions dans le puits vertical de Sedrun Le report des directions dans le puits vertical de 800 m de Sedrun a été une autre gageure. Des solutions alternatives comme le report de direction au moyen de lumière polarisée ou des réseaux de trilatération spatiaux ou encore une double détermination de la verticale ont du être écartées pour des raisons de précision ou de coûts excessifs. En finalité, il n’est resté que la solution du report de direction grâce à des gyroscopes, tels que développés pour la topographie minière. La question a été dès lors de savoir si cette

AlpTransit Gotthard

=5//'&2.*$*"'4-?'--5/#'/(%4(BCCL

W4'*X+67'/0(5/M(;$%5?%5'*(<./"$.*"/#%/&%#'(FDDD J..*M"/%$'/0(5/M(NO7'/P4'*$*%#5/#("/(M'/ ;67+67$'/(2./(;'M*5/(FDDFQFDDRQFDDL

!'S.*?%@./-?'--5/#'/(P4'*(M'? ;$*%--'/$5//'&(BCCLQCT

Y"67$5/#-G./$*.&&'(?"$ 8/'*@%&?'--5/#'/(FDDRQFDDE

:);(U:*5/M&%#'//'$,(BCCVQFDDE ;./M"'*-$.&&'/().&?'/#.(BCCV

!.G5?'/$%@./(Y.74%5(?"$(I%-'*-6%//"/# FDDT Z%7/$'67/"G

BCCD((((((((((((((((((((BCCE((((((((((((((((((((FDDD((((((((((((((((((((FDDE((((((((((((((((((((FDBD((((((((((((((((((((FDBE !"#"$%&'()*+,"-"./-(0(1"2'&&"'*'(3(4'&'567$'$'(8/2%*&%9'/ ='?H'*%$5*0<'--->-$'? =54'?'$'*

8/'*@%&->-$'?(?"$ A5$.G.&&"?%@./

(!"-H'*-.?'$'*

:&'"-?'--K%#'/

<.$.*"-"'*$'(=%67>?'$'*(?"$(%5$.?%@-67'*(A/,"'&5/#

Fig. 3: Système de mesure du gradient de température.

)*+,"-"./-(0(I%-'*-6%//"/# (:);((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((! !(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((:1;; A,"?5$0J*'"-'&

Fig. 1: Progrès technologiques et phases de construction au tunnel de base du Gothard. méthode allait subir les influences de la déviation de la verticale qui avait été estimée à partir de modèles, ainsi que de l’influence de la température. Cette solution de report de direction indépendante grâce à un système inertiel avait déjà été envisagée dès 1997. Ce n’est que à partir du moment où les essais de report de direction au moyen d’un système inertiel

out été menés par l’université technique de Munich dans la tour Olimpia que l’espoir est né d’obtenir des résultats aussi précis avec un système inertiel qu’avec un gyroscope (Neuhierl et al., 2006). La comparaison entre les mesures effectuées en 2004 et 2005 et un report de direction au moyen d’un gyroscope a montré une différence de 2.2 mgon.

2-0)&-30

*%"'+#',,%#,-)%# 1%&%#$

Fig. 4: Principe du dispersomètre de l’EPFZ.

Technique de mesure cinétique des voies La Commission de la Technolgie et de l’Innovation (CTI) a développé, dans le cadre d’un projet, un système de mesure des voies SwisstrolleyTM (Glaus, 2006). Celuici a été utilisé avec succès dans le tunnel de Thalwil. Une partie de la ligne d’accès fait par ailleurs partie du tunnel de base du Gothard. Lors de la construction de la voie de roulement fixe, une précision in-

!"#$%&'%(%)

./0)+#',)-&&%#

Fig. 2: EPFZ Tubemètre.

Fig. 5: Report de direction grâce à un système de mesure inertiel IMAR. 13

AlpTransit Gotthard

Fig. 6: Systèmes de mesure des voies Swisstrolley (terra) et RACER (UniBw). férieure au mm est exigée pour les travaux d’implantation. Celle-ci est atteinte grâce au système de mesure des voies couplé à des tachymètres de précision. Dans le cadre de la mesure des voise du tunnel du Lötschberg, le système de mesure cinématique RACER développé par l’Université de la Bundeswehr a été utilisé. Celui-ci sera également utilisé dans le cadre du tunnel de base du Gothard.

Résumé Le projet AlpTransit, grâce à ses exigences élevées en matière de mensuration, a été un élément déclencheur pour les secteurs de la conception d’instruments de mesure et des techniques de mensuration. De nouvelles technologies ont été en particulier mises en oeuvre pour la surveillance de barrages et le contrôle du terrain au moyen de systèmes de mesures en continu, ceci en harmonie avec les modèles géologiques y relatifs. La réussite du percement est la meilleure preuve de l’effi-

cacité des méthodes géodésiques utilisées et de la justesse de la modélisation des contraintes dans le tunnel.

Elmiger, A., Köchle, R., Ryf, A., Chaperon, F. (1993): Geodätische Alpentraverse Gotthard. Geodätisch-geophysikalische Arbeiten in der Schweiz , Nr. 50.

Références:

Böckem, B. (2001): Development of a dispersometer for the implementation into geodetic high-accuracy measurement systems. Diss. ETH No 14252.

Neuhierl, T., Ryf, A., Wunderlich, T., Ingensand, H. (2006): AlpTransit Sedrun: Weltpremiere mit inertialer Messtechnik. Geomatik Schweiz, 6/2006. Ryf, A. (2006): Gotthardtunnel: Weltrekord. Reporter 55: Das Magazin der Leica Geosystems. Heerbrugg, Oktober 2006.

Swiss Federal Office of Topography Swisstopo (1998): Bodensenkungen über dem Gotthardstrassentunnel. Presse Mitteilung 22.1.1998.

Hennes, M., Dönicke, R., Christ, H. (1999): Zur Bestimmung der temperaturgradienteninduzierten Richtungsverschwenkung beim Tunnelvortrieb. VPK, 8/99, S. 418–426. Glaus, R. (2006): The Swiss Trolley – A Modular System for Track Surveying. Geodätischgeophysikalische Arbeiten in der Schweiz (SGK), Band 70. Zogg, H.-M. (2007): Terrestrisches Laserscanning zur Aufnahme von technischen Bauwerken am Beispiel von Schachtkammern. In: Beiträge zum 74. DVW-Seminar «Terrestrisches Laserscanning – Ein Messverfahren erobert den Raum» (Red.: Barth/Foppe/Schäfer), Fulda.

Prof. Hilmar Ingesand Geodätische Messtechnik und Ingenieurgeodäsie Institut für Geodäsie und Photogrammetrie ETH Zürich Wolfgang-Pauli-Strasse 15 CH-8093 Zürich ingensand@geod.baug.ethz.ch

AlpTransit Gotthard

Mesures de base et de contrôle dans le tunnel de base du Gothard Le présent rapport résume les travaux de mensuration du Consortium mensuration tunnel de base du Gothard durant les années 1995 à 2010. A partir des exigences contractuelles les bases géodésiques et l’établissement des cadres de référence RéseauGBT_Situation et RéseauGBT_Altitutude sont stipulés. Le concept de la mensuration du tunnel, l’exécution et l’évaluation des contrôles des cavernes ainsi que la mensuration dans le puits vertical de 800 m de profondeur de Sedrun sont présentés. En plus on évoquera l’analyse des données observées et l’appréciation de la précision et de la fiabilité. Pour les quatre percements principaux dans le tunnel de base du Gothard on comparera les précisions de percement théoriquement attendues (prognostics de percement) avec les résultats de percement effectivement réalisés, les deux éléments étant appréciés dans le contexte historique.

R. Stengele, I. Schätti-Stählin

1. Tâches et responsabilités du consortium «Vermessung GotthardBasistunnel (VI-GBT)» Le consortium «Vermessung Gotthard-Basistunnel» Le consortium «Vermessung GotthardBasistunnel (VIGBT)» a été choisi en 1995 pour effectuer les travaux de planification et de réalisation du lot du tunnel de base du Gothard pour le projet NEAT. Ce consortium regroupe les compétences de quatre bureaux d’ingénieurs suisses qui comptent 120 collaborateurs au total. • Grünenfelder und Partner AG à Domat/Ems • BSF Swissphoto AG à Regensdorf • Studio Meier SA à Minusio • Studio Gisi SA à Lugano Tâches et responsabilités Le consortium a été choisi sur la base d’un appel d’offres international et il a reçu en 1995 le cahier des charges suivant de la part de la société AlpTransit Gotthard AG:

1. Bases géodésiques 2. Réseau de base de surface (situation et altimétrie) 3. Densification des réseaux de base dans les 5 sites des portails 4. Concept de mesure pour les mesures du tunnel 5. Contrôles périodiques du tunnel et mesures de contrôle principales comme base de la surveillance de l’ouvrage en planimétrie et en altimétrie 6. Mesure de la verticalité dans le puits de Sedrun 7. Optimisation géotechnique des zones de percement 8. Mesures de contrôle en continu (tassements, déplacements) au-dessus et au-dessous du sol 9. Mesures de contrôle de l’ouvrage: profils, banquettes, regards, laserscanning de surface, voie de roulement fixe et installations techniques ferroviaires. Le présent rapport donne, en complément aux autres publications, un aperçu des travaux 1 à 6. Les concepts et les technologies doivent en effet être adaptées aux nouveaux développements, en particulier pour un projet se déroulant sur 20 ans. Ceci nécessite de l’innovation des connaissances spécifiques et minutieuses

dans chaque processus. La gestion du projet et de la qualité sont les compétences clé et forment, avec les exigences purement techniques, un très grand défi pour le responsable du projet. Précision et tolérance La plus grande responsabilité réside dans le contrôle du percement (tunnelier et percement à l’explosif), en respectant une précision de 10 cm en planimétrie et 5 cm en altimétrie. Cette condition de précision est définie statistiquement de la même façon que dans la technique de mesure (1 σ). L’erreur maximale admise (tolérance, Worst Case ) ayant été définie à 2.5 σ avec un intervalle de confiance de 95% en planimétrie et de 99% en altimétrie. L’erreur maximale tolérée était donc de 25 cm en planimétrie et 12.5 cm en altimétrie. En d’autres termes: «Afin de garantir une erreur maximale autorisée sur une distance de plus de 20 km à l’intérieur du tunnel, l’erreur planimétrique doit se limiter à 1 ou mieux encore 0.5 mm par tronçon de 100 m».

2. Réseau de base planimétrique: Réseau GBT_Situation Le réseau de base de surface se compose de 28 points de rattachement, répartis sur les portails sur des roches géologiquement stables et qui ont été matérialisés de façon durable. Ils ont été mesurés et déterminés pour la première fois en 1995 par GPS, avec les possibilités techniques de l’époque. Afin de tenir compte des exigences plus importantes en précision et fiabilité, il a été matérialisés cinq points de référence MN95 dans le secteur de chacun des cinq portails. Il a été possible, grâce à une transformation Helmert du réseau GPS sur les points de référence de minimiser la différence planimétrique par rapport aux ouvrages existants (mensuration officielle, réseau des CFF) dans les secteurs des portails principaux de Erstfeld et de Bodio, sans que cela ne prétérite la précision élevée en interne du système de référence GPS. 15

AlpTransit Gotthard

Sur la base de la compensation de toutes les mesures, la précision du système «RéseauGBT_Situation» a été estimée à 1 σy,x < 7 mm bzw. 1 σ planimétrie < 10 mm. La précision relative entre deux points proches est dans tous les cas < 10–6. Des mesures de densification 3D ont été effectuées au moyen de tachymètres de précision dans les secteurs des 5 portails. Il a été ainsi possible d’augmenter la précision relative des réseaux de chaque portail, d’établir des bases de référence pour des calibrages ultérieurs ainsi qu’une base pour une détermination optimale de l’échelle et de l’orientation du réseau de base vers le bas. Grâce à cette sécurité supplémentaire, l’on pourra surveiller les mouvements locaux durant les quelques 20 années que durera la construction de l’ouvrage. Une mesure répétitive de l’ensemble du système de référence GPS a été effectuée en été 2005, soit dix ans après l’établissement du système de référence et une année avant le percement principal Bodio-Faido. Il a été ainsi possible, grâce à l’appui de VI-GBT et de l’EPFZ, de mesurer et de déterminer simultanément l’ensemble du système grâce à 28 récepteurs GPS. Les différences planimétriques constatées entre les mesures de 1995 et de 2005 se situent dans les 95% de l’intervalle de confiance. Un contrôle de l’orientation des réseaux de chaque côté des portails par mesures astro-géodésiques a également été effectué en été 2005 par le consortium Schwere (SKS), en collaboration avec l’EPFZ et l’«Institut für Erdmessung der Universität Hannover». Un comparatif direct entre les mesures astro-géodésiques et les azimuts réduits dans le plan de projection du réseau planimétrique RéseauGBT_Situation ont donné une différence d’orientation d’environ 1 mgon entre Erstfeld et Bodio. Les différences d’orientation entre deux portails voisins étaient inférieures à 3 mgon. Les mesures de la verticale issues de la détermination astro-géodésique ont en outre été comparées avec celles provenant du modèle de géoïde CHGeo98 (voir figure 1). Sur la base des résultats, l’on peut affirmer que le calibrage et la 16

réduction des azimuts gyroscopiques a pu être effectuée sans erreur systématique.

3. Réseau de base altimétrique: RéseauGBT_Altitude Il était déjà clair pour le consortium dans la phase de l’offre qu’un nivellement de précision pour la liaison directe entre les cinq portails en passant par plusieurs cols alpins ne pouvait être pris en considération. De même, il était également entendu que le système de référence de nivellement fédéral existant ne pourrait pas servir de base à l’établissement du réseau de référence GBT et ceci pour plusieurs raisons: «altitudes de travail», pas d’altitudes potentielles théoriques strictement réduites, pas de compensation globale des boucles de nivellement, pas de prise en compte des mouvements récents de l’écorce terrestre, inconsistances connues (entre Amsteg et Sedrun, une différence de 8 cm au Tessin). Dans le cadre du renouvellement du système de référence altimétrique de MN95, l’office fédéral de la topographie/swisstopo s’est déjà attelé à la tâche de la prise en compte de ces problèmes. Ces travaux de MN95 ont été accélérés dans le secteur des NLFA, grâce à la collaboration

de swisstopo et de VI-GBT. Tous les nivellements effectués au cours des dernières décennies ont été pris en compte et compensés par gravimétrie, en tenant compte d’une approche cinématique strictement compensée du soulèvement des Alpes. Grâce à cette méthodologie, il est possible de se limiter à des segments de 30 km pour les nivellements de précision servant à relier les portails au système de nivellement national. Un effet de synergie remarquable qui tient compte des intérêts du nivellement fédéral et de ceux du projet du tunnel de base du Gothard! Il était également clair que l’influence du champ magnétique allait devoir être compensé par des corrections orthométriques pour toutes les mesures souterraines dans le cadre de l’établissement du système de référence altimétrique RéseauGBT_Altitutude. Les corrections orthométriques et les erreurs théoriques de fermeture y relatives (le non parallélisme des surfaces équipotentielles entraînant une contrainte de tracé du nivellement) ont été calculées pour chaque tronçon du tunnel le long de l’axe du tunnel et le long du puits vertical de 800 m de Sedrun par swisstopo au moyen des modèles de masse, de densité et de gravité (figure. 2). La somme des corrections basées sur les modèles a été de plus de 10 cm pour chaque tron-

Fig. 1: Composantes de la topographie, du géoïde et de la déviation des la verticale sur l’axe du tunnel de base du Gothard.

AlpTransit Gotthard

Fig. 2: Corrections orthométriques théoriques et erreur de fermeture du nivellement. çon du tunnel. Elle était par conséquent clairement supérieure à la précision altimétrique requise et même à la précision pour les mesures de nivellement. La prise en compte du soulèvement des alpes à elle seule (vitesses verticales de 1.3 mm/an au Tessin et de 0.8 mm/an à Sedrun) provoque différence de 7 mm pour le tronçon de tunnel de Faido-Sedrun pour une durée de 15 ans, ce qui est supérieur à 10% de la tolérance en altimétrie. Pour la mise en pratique sur le site, les différentes corrections (correction orthométrique, extrapolation du soulèvement alpin au moment du percement, défauts de positionnement) ne sont naturellement pas adaptées. C’est la raison pour laquelle, une correction linéaire globale a été déterminée pour chaque tronçon du tunnel. Celle-ci a été prise en compte par le consortium lors de chaque nivellement souterrain. Tous les autres intervenants dans le cadre du projet ont donc été épargnés par la problématique des corrections de l’altimétrie. Le modèle gravimétrique utilisé par swisstopo (contenant quelques d’hypothèses) a été contrôlé durant l’été 1995 par l’EPFL. Il a ainsi pu être mis en évidence des différentes de potentiel < 3 mGal dans le

secteur de Bodio, ayant pour conséquence une différence théorique à craindre sur le percement de moins d’un millimètre. Les résultats très similaires obtenus lors du contrôle du puits vertical de Sedrun ont également été un point très positif. Au vu de la problématique complexe de l’altimétrie, se situant au croisements de la géophysique et de la géométrie et positionnée dans un des secteurs géographiques et topographiques les plus exigeants d’Europe, les résultats excellents obtenus lors du percement sont une récompense pour tous ceux qui ont participé aux travaux de la conception et de la réalisation du système de référence RéseauGBT_Altitutude.

4. Réseau souterrain de base: mensuration du tunnel Les travaux des systèmes de référence RéseauGBT_Situation et RéseauGBT_Altitutude ont constitué la base du réseau souterrain du tunnel et ainsi permis les travaux d’implantation de l’axe du tunnel et le contrôle du percement au tunnelier et à l’explosif.

Importance des réseaux des portails Tant la littérature que les travaux dans la pratique mettent en avant l’importance de la maximalisation de la précision pour l’établissement du réseau de base et des réseaux à l’intérieur des tunnels. La jonction entre les réseaux de surface et les mesures souterraines dans les secteurs des portails est trop souvent négligée, tant dans la théorie que dans la pratique. Le potentiel de précision est optimisé dans la mesure où l’échelle et l’orientation peuvent être transférées sans perte de précision au travers du secteur des portails. Cette problématique est souvent négligée, et des contraintes défavorables sont en général la règle dans les secteurs des portails: des conditions topographiques difficiles, des installations de chantier que se déplacent, des équipements de ventilation, la circulation due au chantier, des déformations locales, des visées limitées et des petits rayons de courbure dans les galeries d’accès rendent ces travaux encore plus difficiles. La problématique particulière liée à la réfraction due aux écarts de température importants dans le secteur du portail est mise en évidence lors de mesures complémentaires sur des points auxiliaires situés dans le secteur immédiat du portail (quelques mètres à l’extérieur et à l’intérieur). Le résultat pour les mesures effectuées dans le secteur initial du tunnel est le suivant: précision des coordonnées: 1 σ (y, x, H) < 10 mm, précision de l’azimut: 1 σ (Azimut) < 0.5 mgon. Sur cette base, la tolérance transversale de 10 cm serait atteinte avec une visée (théorique) de 11.4 km. Concept des mesures souterraines L’on connaît de nombreux approches et des concepts pour la conception et la mise en place de polygonales souterraines. Touts ont pour but de minimiser la propagation des erreurs en cas de polygonales présentant des longs côtés, ainsi que l’effet systématique et linéaire du danger de la réfraction horizontale. Une doctrine universelle (la solution optimale) n’existe pas. Le consortium s’est décidé en 1995 pour le concept de mesure suivant (figu17

AlpTransit Gotthard

re. 3) et l’a appliqué de façon systématique durant plus de 15 ans. • Une polygonale de précision parallèle dans les deux tunnels à une voie, avec des mesures de liaison entre le 3ème et le 4ème point de polygone. • Positionnement des points de polygone de strictement au milieu du tunnel à 400 à 450 m de distance. • Des visées traversantes, soit des visées sur les deux points suivants dans les deux directions, avec des distances jusqu’à max. 900 m • Contrôle gyroscopique de la polygonale après 5 à 7 points (2 à 3 km). Détermination multiple d’azimuts gyroscopiques opposés sur les mêmes côtés des polygonales lors de campagnes de mesures différentes. • Report des hauteurs grâce à des nivellements de précision (aller/retour), contrôle avec le nivellement trigonométrique de la polygonale. • Dans les secteurs en courbe, déplacement des points de la polygonale de 1 m au maximum vers l’extérieur, réduction des distances entre les points à 300 m, maintien de la distance de la visée à plus de 1.5 m de la paroi du tunnel, abandon des mesures traversantes. • Croisement du personnel et des instruments (en particulier les gyroscopes), afin de minimiser les erreurs systématiques

Préanalyse Grâce à une simulation du réseau pré analyse, il a été possible de vérifier à priori que le concept de mesure permettait d’atteindre la précision planimétrique et altimétrique exigée. Les paramètres les plus importants du modèle stochastique sont les suivants: • Mesures de direction • Mesures de distance • Mesures gyroscopiques (mesure unique) • Centrage • Différence d’altitude nivelée

3 cc 0.5 mm + 1 ppm

15 cc 0.5 mm 1.0 mm/km 18

• Report de coordonnées dans le puits vertical de contrôle de Sedrun (800 m)

24 mm (3 mm par 100 m)

Il est conseillé d’avoir une attitude plutôt conservatrice dans le cas de simulations de mesures, afin de faire face à des conditions de mesure souterraines non optimales. Etendue des contrôles des tunnels A chaque fois que l’entreprise a matérialisé 2 (max 3) nouveaux points de polygone dans le sol bétonné (c’est à dire après max. 1300 m), les coordonnées sont déterminées par le consortium sous forme d’un petit contrôle du tunnel. Pour cela, il a fallu les rattacher au moins aux trois derniers points de polygone mesurés. Il en résulte ainsi des polygonales de plus de 2 km à 2.5 km. Après 3 km d’avancée l’on effectue un grand contrôle du tunnel avec une polygonale sur 8 à 10 points de polygone, d’une longueur de 3.5 à 4.5 km. Dans chaque tunnel, après avoir atteint environ 50% de la longueur totale du tunnel, l’on effectue un «contrôle à la mitemps». L’on effectue également un contrôle général à environ 1.5 km de la fin du lot. Contrôle «à la mi-temps» et contrôle général comprennent des mesures du réseau du portail du réseau de l’ensemble du tunnel. Ce scénario assure que sur chaque point de polygone au moins 4 contrôles du tunnel à des époques très différentes ont été effectués. Dans le cadre des grands contrôles du tunnel, l’on a ne général également effectué un contrôle indépendant de l’azimut au moyen d’un gyroscope de précision Gyromat-2000. A chaque occasion, l’on a contrôlé 2 à 3 côtés des polygonales souterraines. Afin de contrôler de façon indépendante les mesures gyroscopiques, l’on a utilisé trois différents Gyromat à tour de rôle: DMT Essen, Universität der Bundeswehr München et EPFZ. De même, les mesures , les analyses des

Fig. 3: Concept de mensuration souterraine. données et les calculs ont été effectués de façon indépendante. Les mesures souterraines sont effectuées dans des conditions difficiles. A part les délais impératifs, il faut faire face à des facteurs extérieurs défavorables (visibilité, lumière, bruit, température, humidité, aération, circulation,…) ainsi que des prescriptions relatives à la sécurité ou à la logistique. Pour les petits contrôles du tunnel, nous avions à disposition une fenêtre horaire de 12 h. Les grands contrôles du tunnel ont en général été effectués dans des périodes d’inactivité (Noël/nouvel An, Pâques, congés estivaux).

5. Mesures dans le puits vertical de 800 m de Sedrun A partir de la station intermédiaire de Sedrun, on a effectué les travaux de percement vers le nord et vers le sud à partir de la base d’un puits de 800 m de profondeur. Le report de la position depuis la caverne au sommet du puits jusqu’au niveau du tunnel a été effectué en 2002, ceci au moyen de 2 méthodes différentes, optiques et mécaniques. Avec la construction en 2004 du deuxième tube, il a été possible d’effectuer une mesure de la verticale 39 m au sud du premier puits. En janvier 2007, soit juste un an après le percement Amsteg-Sedrun, un contrôle de la verticale optique supplémentaire a été effectué. Le report des points a donc été contrôlé trois fois, deux fois optiquement et une fois mécaniquement.

AlpTransit Gotthard

Fig. 4: Plomb nadiral au-dessus du puits. Détermination optique de la verticale Le plombage optique se la surface vers le bas a été réalisée au moyen d’un plomb nadiral Leica (résolution 1:200 000 = 0.5 mm pour 100 m), figures. 4 et 5. Afin d’augmenter la précision et la fiabilité, les mesures ont effectuées dans 3 couloirs, disposés selon les possibilités et les installations existantes. Les points obtenus au fond du puits ont été matérialisés par des prismes avec des diodes lumineuses centrales faisant office de cibles. Le positionnement exact sur les trépieds a été effectué au moyen de chariots à mouvement croisés (permettant un déplacement sur deux axes).

Détermination mécanique de la verticale Le plombage mécanique a également été effectué dans 3 couloirs. L’installation des treuils, des poulies et des enrouleurs pour le câble de 800 m de longueur ont pris toute une journée (figures. 6 et 7). L’installation a été complétée avec des poids de 390 kg sur chaque câble. Après une période de repos de 12 h, il a été possible d’effectuer les mesures au matin suivant. L’on a mesuré 10 points sur la périphérie de chaque poids à partir de deux stations au moyen de théodolites et dans les deux positions. Une deuxième série de mesures a été effectuée avec des poids réduits environ 192 kg et la troisième à nouveau avec des poids de 390 kg. Modèle pour les corrections des déviations de la verticale La déviation de la verticale se reporte directement sur la précision des coordonnées en cas de détermination de points et doit être absolument corrigée. La ligne verticale est en outre courbée, les corrections sont différentes en haut et en bas du puits (figures. 8 et 9). La détermination de la déviation de la verticale est obtenue avec une précision de 0.3 mgon grâce au programme CHGeo98. La déviation de la verticale et le courbure de la verticale engendrent des corrections sur les coordonnées jusqu’à 34 mm. Résultats des mesures de la verticale La comparaison de toutes les mesures de la verticale donnent une dispersion infé-

Fig. 6: Poulie avec le câble pour plombage.

Fig. 5: Positionnement des trépieds au fond du puits. rieure à 20 mm. L’écart type de toutes les mesures de la verticale est donné par la congruence des deux triangles formés par les trois corridors de mesure verticale, en haut et en bas du puits. Pour le calcul, l’on a utilisé pour la détermination mécanique de la verticale une précision de 1 σ ΔyΔx = 5 mm et pour la détermination optique de la verticale une précision de 1 σ ΔyΔx = 10 mm. Les procédés de détermination de la verticale atteignent ainsi une plus grande précision qu’à priori. Le fait remarquable est que les quelques 553 corrections de la déviation de la verticale et de la courbure de la verticale dépassent de plusieurs fois la précision pure de la mesure de la verticale. La précision de la détermination altimétrique dans le puits vertical de 800 m est ainsi de 1 σ ΔH = 3 mm.

Fig. 7: Câbles avec des poids de 192 kg. 19

AlpTransit Gotthard

Fig. 8: Direction et déviation de la verticale. Grâce à la détermination de la verticale dans les deux puits, l’azimut pour une base de 39 m s’est écarté de 0.2 mgon de l’azimut gyroscopique, ceci sur une moyenne de plusieurs campagnes de mesures.

Fig. 9: Corrections de la déviation de la verticale lors du report des coordonnées dans le puits vertical.

6. Compensation des réseaux des tunnels et prévisions du percement Précision des mesures Toutes les compensations des réseaux des tunnels ont été effectuées grâce au programme LTOP en tant que compensation moyennée (Figure. 9). Corrections de la déviation de la verticale de la détermination des coordonnées dans le puits vertical (Figure. 8). La direction de la verticale et la courbure de la verticale sont déterminées dans le cadre d'un ajustement libre. L’on remarque que l’intervalle de confiance des corrections apportées aux mesures est très proches de la loi normale (Figure. 10). De même, le comparatif des variances a priori et de celles a posteriori sur toutes les mesures (test global selon Baarda) confirme que le modèle stochastique est correct (tab. 1) La moyenne de toutes les mesures de contrôle dans tous les secteurs pour les 20

principaux facteurs de variance de la précision des observations a posteriori sont les suivantes: • 12 406 mesures de direction • 2809 azimuts gyroscopiques (mesures simples, pas de moyenne) • 11 600 mesures de distance

2.7 cc

10.8 cc 1.6 mm/km

Calcul des coordonnées Le calcul des coordonnées est toujours effectué dans le cadre d’un ajustement libre, où toutes les mesures de tous les contrôles des tunnels sont compensés en une fois. Les mesures effectuées dans des zones soumises à des déformations sont éliminées au préalable. Ceci a pour conséquence connue une diminution minima-

le de la précision interne ayant pour cause des déformations entre les différentes époques ne pouvant être quantifiées par les observations au profit d’une haute redondance. Les points des réseaux des portails ont été introduits en tant que points fixes, ce qui représentait pour tous les points souterrains la solution la plus plausible. Ceci a pour conséquence négative que les mouvements continus et les modifications de coordonnées représentent un problème permanant sur le chantier et peuvent conduire à des problèmes dans le système de guidage des machines de percement du tunnel. Pour cette raison, un procédé spécial a été développé pour le «lissage» des corrections, qui a pu limiter la modification des coordonnées à 2 cm au maximum. La documentation et la communication des résultats ont été effectués de façon

AlpTransit Gotthard

Percement

Longueur [km]

Nombre de mesures

Inconnues

Taux d’erreur

Bodio–Faido

19.8

7535 2364

2149 821

0.80 0.53

Amsteg–Sedrun

17.3

9499 4379

2820 1170

0.92 1.10

Erstfeld–Amsteg

10.1

2846 1350

742 284

1.19 1.17

Sedrun–Faido

23.4

7205 2478

1991 799

0.62

0.80

Tab. 1: Précision des observations et erreurs à posteriori et à priori.

ciblée aux intéressés. Le constructeur a reçu des rapports succincts avec les coordonnées actualisées des points de polygone. Les grands contrôles des tunnels ont été présentés dans des rapports techniques, transmis à ATG-Geomatik et à divers experts externes pour validation.

Evaluation de la précision en souterrain et prévision pour le percement Il a été possible d’estimer la précision en planimétrie et en altimétrie des points de polygone sur la base des ajustements libres du réseau souterrain. Une croissance typique des ellipses d’erreur en fonction de la longueur du percement a toutefois été constatée dans le réseau du tunnel, en raison d’une propagation des erreurs défavorable. L’erreur théorique du percement est calculée sur la base de l’ellipse d’erreur relative des deux points de polygone les plus proches du début et de la fin du percement (figure. 11) La pronostic suivant avait été fait juste avant le début du percement du tunnel: «Il est à 95 % probable que l’erreur du percement atteindra les valeurs suivantes» (tab. 2).

7. Résultats du percement pour le tunnel de base du Gothard

Fig. 10: Corrections des mesures normées pour les percements de Sedrun (en haut), Faido (au milieu) et Bodio (en bas).

Les résultats du percement sont un argument important en matière de construction de tunnel. C’est en effet le jour du percement que l’on pourra évaluer le succès du travail théorique et pratique des géomètres durant plusieurs années. Bien que tout soit entrepris pour que, grâces aux senseurs les plus précis, aux meilleures bases géodésiques, aux concepts de mesure et de calcul les plus adaptés, le meilleur résultat puisse être atteint, il subsiste toujours un doute jusqu’au percement du dernier mètre de la galerie (figure. 12). Les précisions suivantes ont été obtenues pour le tunnel de base du Gothard (tab. 3) 21

AlpTransit Gotthard

Fig. 11: Prévision de la précision du percement et erreur de percement dans le premier percement principal Bodio–Faido. Ces résultats peuvent être interprétés différemment en fonction du contexte professionnel: • Du point de vue de la technique de construction de l’ingénieur civil «L’erreur du percement pourra être corrigée lors de la construction de la voûte intérieure. Des corrections du profil ayant des conséquences financières ne sont pas nécessaires» • Du point de vue de la dynamique de conduite du traceur «L’erreur du percement pourra être corrigée par une adaptation minime des voies» • Du point de vue du statisticien «Les résultats correspondent à peu près aux prévisions» • Du point de vue de l’assurance «Les risques étaient contrôlés. Il n’y a pas de dommage en responsabilité» • Du point de vue du juriste «Il n’y a pas d’erreur de mesure, mais est-ce que tout a vraiment été mis en oeuvre pour réaliser le projet du siècle?» • Du point de vue des ignorants qui croient en la technologie «Où est le problème? Aujourd’hui il, grâce aux GPS ou aux lasers n’y a plus de difficultés, ou bien?» • Du point de vue du géodète «Nos modèles ne sont pas si mauvais. Le résultat confirme les résultats de nos travaux de ces dernières années» 22

Fig. 12: Tête de fraisage du tunnelier au moment du percement.

Percement

Longueur [km]

Transversal [cm]

Longitudinal [cm]

Hauteur [cm]

Bodio–Faido

19.8

< 22

< 8

Amsteg–Sedrun

17.3

< 22

< 10

Erstfeld–Amsteg

10.1

< 15

< 9

Sedrun–Faido

23.4

< 27

< 13

Tab. 2: Prévision de la précision du percement à priori (niveau de confiance de 95%) pour les 4 percements principaux.

Date

Percement

Longueurs y.c. galeries d’accès et puits [km]

Transversal [mm]

Longitudinal [mm]

Hauteur [mm]

22.08.2006

Faido Bodio

4.1 15.7

19.8

14.10.2007

Amsteg Sedrun

13.3 4.0

17.3

137

16.06.2009

Erstfeld Amsteg

7.8 2.3

10.1

15.10.2010

Sedrun Faido

15.0 8.4

23.4

136

32%

20%

Utilisation de la tolérance maximale (en moyenne)

Tab. 3: Résultats des percements pour les 4 percements principaux du tunnel de base du Gothard.

AlpTransit Gotthard

Date

Percement

Longueur Transversal Longitudinal Hauteur [km] [cm] [cm] [cm]

28.02.1880

Gotthard-Bahntunnel

15.0

710

24.05.1905

Simplontunnel

19.8

< 200

31.03.1911

Lötschbergtunnel

14.6

01.12.1990

Eurotunnel

37.9

28.04.2005

Lötschberg-Basistunnel Mitholz-Ferden

34.6 20.9

Tunnel de base du Gothard 57.0 22.08.2006

Faido–Bodio

19.8

14.10.2007

Amsteg–Sedrun

17.3

16.06.2009

Erstfeld–Amsteg

10.1

15.10.2010

Sedrun–Faido

23.4

Tab. 4: Résultats des percements pour les principaux percements des Alpes et l’Eurotunnel. • …et enfin du point de vue du géomètre en charge «Nous avons atteint moins de 30% de la tolérance maximale admise. Nous avons toujours su que la qualité

de notre concept était bonne. Nous sommes satisfaits et soulagés de ne pas avoir du faire face au Worst Case.» Les résultats obtenus dans le cadre du per-

cement du tunnel de base du Gothard peuvent également être comparés avec d’autres ouvrages analogues (tab. 4).

8. Remerciements La mensuration est un travail d’équipe! Le consortium VGB a travaillé, durant les 15 dernières années, avec de nombreux partenaires et entreprises (figure. 13). Tous ces partenaires ont apporté leur contribution aux bons résultats obtenus dans le cadre de la construction du tunnel de base du Gothard. Nos remerciement sont en particulier adressés aux directeurs du projet MM. F. Ebneter et A. Ryf de la société AlpTransit Gotthard AG ainsi qu’au professeur émérite A. Carosio pour sa collaboration et le confiance témoignée..

9. Littérature Une grand nombres de publications ont été effectuées sur le tunnel de base du

Fig. 13: Partenaires et réseau du consortium VI-GBT. 23

AlpTransit Gotthard

Gothard. D’autres publications peuvent être téléchargées sur le site www.bsfswissphoto.com. Carosio A., Reis O. (1996): Geodetic Methods and Mathematical Methods for the Establishment of New Trans-Alpine Transportation Routes, Bericht IGP No. 206, ETH Zürich. Carosio A. (2010): Die Vermessung des längsten Eisenbahntunnels der Welt. Die Sicht des Experten des Bauherrn. Geomatik Schweiz, Ausgabe Dez. 2010. Ebneter F. (2004): AlpTransit Gotthard: Aufgaben und Organisation der Vermessung. XIV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Zürich.

Kobold F. (1981): Tunnelabsteckungen im Gotthardgebiet von Koppe bis zur Gegenwart. Deutsche Geodätische Kommission bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, Reihe E, Heft Nr. 20.

Stengele R., Ryf A., Schätti I., Studer M., Salvini D. (2010): Vermessung im Gotthard-Basistunnel: Vortriebsvermessung, Laserscanning, Langzeit-Monitoring. XVI. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Graz.

Korittke N. (1997): Zur Anwendung hochpräziser Kreiselmessungen im Bergbau und Tunnelbau. Geodätische Schriftenreihe der Technischen Universität Braunschweig, Nr. 14.

Zanini M., Stengele R., Plazibat M. (1993): Kreiselazimute in Tunnelnetzen unter Einfluss des 557

Riesen H.-U., Schweizer B., Schlatter A., Wiget A. (2005): Tunnelvermessung des BLS-AlpTransit Lötschberg-Basistunnels. Geomatik Schweiz 11/2005. Schätti I., Ryf A. (2004): Hochpräzise Lotung im Schacht Sedrun des Gotthard-Basistunnels.

Gesellschaft für Ingenieurskunst (1996): Historische Alpendurchstiche in der Schweiz: Gotthard – Simplon – Lötschberg.

XVI. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Zürich.

Haag R., Stengele R. (1997): The Gotthard-Basetunnel. Surveying of a 57 km long Underground Project in the Swiss Alps. FIG-Symposium «Surveying of Large Bridge and Tunnel Projects», Kopenhagen.

Schätti I., Ryf A. (2007): AlpTransit GotthardBasistunnel: Grundlagenvermessung, letzte Kontrollen vor dem ersten Durchschlag. XV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Graz.

Kobold F. (1982): Vor hundert Jahren: Die Absteckung des Gotthard-Basistunnels. Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik 3/1982.

Stengele R. (2007): Erster Hauptdurchschlag im Gotthard-Basistunnel: Tunnelvermessung in Theorie und Praxis. XV. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Graz.

Erdschwerefeldes, Berichte des Instituts für Geo däsie und Photogrammetrie der ETH Zürich, Nr. 214.

Roland Stengele BSF Swissphoto AG Ivo Schätti-Stählin Studio Meier SA Dorfstrasse 53 Postfach CH-8105 Regensdorf-Watt roland.stengele@bsf-swissphoto.com

AlpTransit Gotthard

Les défis (de la mensuration) au début du projet, lorsque tout était encore à faire Lorsqu’au début des années 90 du siècle passé la mensuration pour les nouvelles transversales alpines a dû être organisée et installée beaucoup de choses étaient en transformation. Avec la réforme de la mensuration officielle, l’introduction de la nouvelle mensuration nationale, de nouveaux instruments de mensuration automatiques et les programmes d’exploitation correspondants ou de nouvelles possibilités de communication de données les multiples besoins de la mensuration ont pu être réalisés de façon optimale. L’article démontre que les défis lors du démarrage du projet concernant l’établissement de l’organisation de la mensuration, la définition des responsabilités ou la mise en concurrence et l’adjudication des mandats sont autant importants pour une mensuration réussie que l’application des méthodes techniques de mensuration connues ou nouvelles.

F. Ebneter Les défis sont pour les ingénieurs comme le sel dans la soupe. Sans ces derniers, notre vie professionnelle serait fade et nos activités tomberaient dans le routine. Les défis qui se présentent dans des projets importants comme dans notre cas le projet AlpTransit, ne sont pas uniquement techniques. Les domaines suivants sont également déterminants dans notre activité d’ingénieur: l’identification des tâches principales et leur planification, ainsi que les risques liés au projet, la détermination des responsabilités, le mise en place des processus, la définition de l’organisation du projet, l’estimation des coûts, les cahier des charges pour la mise en soumission et l’adjudication de mandats à des tiers ainsi que les aspects contractuels y relatifs.

Tâches et organisation de la mensuration Les tâches de la mensuration ont été fixées lors des premiers contacts avec la Direction du projet. Le travail principal était l’implantation du tunnel. Le service responsable de la mensuration était donc chargé de la détermination, le mise à jour

en continu et la gestion des géodonnées de l’état actuel du projet et de les transmettre à tous les intéressés. Le service responsable de la mensuration était en outre chargé de la surveillance du chantier et des objets sensibles qui se trouvaient dans la zone d’influence de ce dernier. ATG, en tant que Maître d’oeuvre de la nouvelle transversale alpine de l’axe du Gothard dirige le projet avec une équipe réduite. Dans le cadre de la planification et la réalisation, un grand nombre de bureaux ont été mandatée. Dès l’os, la décision d’intégrer un service de mensuration dans le direction du projet et de lui transférer la direction générale des mensurations était logique et plus sure. Les tâches et les responsabilités ont ensuite été partagées entre des prestations du Maître d’oeuvre et des prestations géométriques de l’entreprise mandatée pour le gros œuvre et la construction des voies. Un expert en mensuration externe a en outre appuyé la direction du service des mensurations (principe du contrôle indépendant) lors de la mise en place de concepts, processus et lors de la réalisation de rapports de contrôle. Pour les prestations du Maître d’oeuvre en matière de mensuration, l’entreprise chargée des mensurations a été mandatée en tant que consortium.

Bases du projet avec les données de la mensuration officielle Un défi particulier était propose par la préparation des données de base pour le projet. En effet, lors des phases de comparaison des variantes principales et de détail, il a fallu connaître les données cadastrales et de la topographie le long de l’axe du Gothard entre Arth-Goldau et Lugano, soit sur 5 cantons et 50 communes. Le fait que le choix des variante ne soit par encore arrêté a par conséquent considérablement compliqué la détermination du périmètre. Ces données de base devaient en outre être fournies à tous les participants au projet durant une période de plus de 20 ans et ceci de façon discontinue et toujours à jour. Notre but a donc été de collecter ces données de façon numérique et de les actualiser durant toute la durée du chantier. Il a pu être possible de s’accorder, avec les organes de la mensuration officielle qui étaient justement en train, avec le registre foncier, de mettre en oeuvre le projet de la «réforme de la mensuration officielle» et qui disposaient d’une grande partie de ces données sous forme graphique, d’effectuer une collecte des données simplifiée à l’intérieur du périmètre de notre projet

Coordination des données L’échange de données entre les différents intervenants au sein du projet (AlpTransit, OFT, CFF, ingénieurs du projet pour le gros œuvre et la construction des voies, entreprises, services cantonaux, etc.) a représenté une véritable gageure, ceci en plus de la saisie des données. Tous les intéressés établissent des documents tels que plans, tabelles, présentations et rapports sur leurs propres systèmes. Ces documents sont réunis dans des dossiers et ensuite largement diffusés. Notre but était de pouvoir mettre à disposition ces documents non seulement sous forme analogue, mais aussi sous forme digitale, afin de permettre leur traitement de façon optimale et efficiente. 25

AlpTransit Gotthard

Fig. 1: Variantes du projet et périmètres fixés pour la préparation des documents de base.

Nous avions préconisé la solution où chaque participant au projet pourrait gérer de façon géoréférencée et non redondante ses données dans un SIT, Cela n’a malheureusement pas été possible pour l’ensemble des participants à cette époque. ATG avait adopté le principe de ne pas donner de spécifications à leurs mandataires quant à l’utilisations de systèmes informatiques. Il a donc fallu accepter un SIT hétérogène pour les participants au projet. ATG s’est donc limité à une utilisation DAO des données et n’a donné aux mandataire des spécifications que la structure des données, les formats d’échange et les formats des données. Plusieurs années plus tard, ATG a confirmé ces prescriptions par le fait qu’un sys26

tème de DAO a également été préconisé pour la construction des voies. Le fait que la cellule pour la coordination des données soit intégrée à la direction du projet a très bien fonctionné. Elle assure que les modifications du projet soient communiquées aux intéressés, et qu’ils aient en tous temps accès aux données actualisées du projet.

Mise en soumission des travaux de mensuration Le choix des adjudicataires pour les travaux de mensuration des différentes parties du projet sur les axes du Gothard et de Lötschberg, sur la base de l’offre économiquement la plus avantageuse, a été

fait au cours d’une procédure de chois en deux phases avant le début des travaux de construction. La difficulté à ce moment de l’avancement du projet était d’estimer de façon correcte les travaux à effectuer en tenant compte du contexte et des conditions du chantier, afin de garantir au Maître d’oeuvre des prestations adéquates à un prix correct. Il n’était pas possible de proposer un cahier des charges détaillé sur la base des informations partielles disponibles. Par contre, il était important de pouvoir fournir des prix pour toutes les prestations possibles en matière de mensuration. L’ATG a adjugé les travaux sur les critères des positions forfaitaires pour les travaux quantifiables, comme par exemple l’éta-

AlpTransit Gotthard

Fig. 2: Éléments du contrat avec l'entreprise de construction avec les exigences pour la mensuration. blissement du réseau de base de surface ou l’implantation d’un tunnel complet d’une part et des positions individuelles pour divers travaux de mesures de contrôle et de déformations prévisibles sur la base des prix offerts.

Implantation du tunnel: exigences vis-à-vis des planificateurs et entrepreneurs Afin d’atteindre une qualité des mesures importantes dans ce projet de tunnel complexe, il était important de définir suffisamment tôt, dans la phase de projet et ensuite dans la soumission, les conditions de mesures nécessaires pour les travaux de terrassement et de construction. Le plus grand défi était certainement de prévoir, pour toutes les situations critiques, les mesures qui en découlent pour les planificateurs. Ces mesures devaient être intégrées dans les documents du projet, ainsi que dans les documents de l’appel d’offres et devaient être effectuées en adéquation avec les entreprises qui s’occupaient du gros œuvre. Des dispositions pour la sécurité au travail ont du être prises en plus des mesures constructives et structurelles. Celles-ci

avaient pour but de garantir, durant les travaux de mesure, une qualité de l’air suffisante dans le tunnel, des visées dégagées ou le transport des équipes de mesure. Le défi était ici de définir toutes les prestations possibles pour l’entrepreneur dans le cadre des travaux de mesure exigés par le Maître d’œuvre. Un exemple de mesure structurelle peut être donné dans le cadre du puits de 800 m de Sedrun: il avait été prévu dans le concept de mesure une détermination mécanique de la verticale au moyen de trois plombs le long des parois du tunnel et une détermination optique avec un plomb optique dans le centre du tunnel. Ces mesures devaient être possibles jusqu’au percement final. Pour cela il faut pouvoir garantir des corridors pour les mesures à l’intérieur de ce puits de 8 m de diamètre entièrement rempli avec le système d’ascenseur et tous les tuyaux possibles.

Implantation du tunnel: réseau de base planimétrique et altimétrique Une condition essentielle pour une implantation réussie dans un tunnel est de pouvoir disposer d’un réseau de base pré-

cis et homogène sur l’ensemble du périmètre du projet. Lorsque ce réseau fut réalisé en 1995, l’Office fédéral de la topographie était en train de réaliser un réseau de base GPS comprenant une nouvelle détermination altimétrique, dans le cadre du projet «Neuen Landeshöhennetz LHN95». Ce projet avait pour but de remplacer l’ancien système de référence national. ATG voulait profiter de ce nouveau système de référence de qualité. Cependant, toutes les bases du projet de ATG étaient basées sur l’ancien système de référence. Il a donc fallu décider si les documents actuels du projet devaient être transformés dans le nouveau système ou si le réseau de référence du projet, basé sur le nouveau système de référence, allait devoir être adapté dans l’ancien système de référence. La faisabilité technique de chaque variante a été a été testée et confirmée. Attendu que l’investissement pour la transformation de tous les documents du projet dans le nouveau système était trop important et pas exempt d’erreurs, c’est finalement la variante de l’adaptation du réseau à l’ancien système de référence qui a été acceptée. Lord de la mise en oeuvre pratique il a fallu s’assurer que les implantations déjà effectuées à ce moment là à partir de l’ancien réseau de la mensuration nationale en vigueur puissent être mises en correspondance avec le réseau d’ATG. Ainsi le tunnel d’accès au puits de Sedrun a par exemple été réalisé sur la base de l’ancienne mensuration nationale. La communication de ces principes à toutes les personnes chargées de la mensuration et de la planification du projet a représenté un défi organisationnel majeur.

Travaux de contrôle Les dernières expériences (Zeuzier, tunnel routier du Gothard) nous ont montré qu’il fallait s’attendre à des tassements de surface engendrés par le drainage de la montagne engendré par la construction du tunnel. Le percement du tunnel de base du Gothard de Sedrun à Faido traverse trois bar27

Fig. 3: Vecteurs de transformation entre le réseau de travail ATG et l’ancienne mensuration nationale MO03. rages situés dans des zones de tassement sensibles. Dans le cadre de l’analyse de risque d’ATG, ces retenues d’eau traversées par le tunnel ont été identifiées très tôt en tant que possible atteinte à la sécurité et à la faisabilité et reconnues comme un danger majeur. Un percement sans atteintes importantes aux retenues d’eau a donc été un des buts principaux du projet. Par conséquent, l’on a intégré toute une série de mesures géodésiques et constructives dans le projet. L’on a donc demandé aux personnes chargées de la mensuration de contrôler les déformations de terrain engendrées par le percement en surface sur et dans les barrages avec une très grande précision. Le concept de mesures comprend principalement la surveillance de coupes à travers la vallée à l’endroit des barrages et sur leurs tabliers, une réseau de nivellement d’étendant sur près de 100 km le long et perpendiculairement à l’axe du tunnel en surface et dans les tunnels des centrales électriques, ainsi que de nombreux points de contrôle individuels à des endroits peu accessibles. Grâce aux nivellement de précision et au contrôle des points individuels, il est possible d’obtenir, au moins une fois par année la quantification des tassements et des déformations. Dans les profils de la vallée, il doit être possible de déterminer des mouvements des parois avec une tolérance de ± 4 mm. 28

La défi majeur a consisté à trouver une entreprise de mensuration capable d’effectuer ces mesures pour un prix économiquement acceptable. Lors de la mise en soumission de ces travaux (1989/1990), les technologies à mettre en oeuvre existaient ou étaient en cours d’introduction: tachymètres de précision automatiques, récepteurs GPS, senseurs météorologiques, enregistrement et transmission automatique des données via des liaisons ISDN/GSM, sources d’énergie autonomes, programmes de gestion et d’exploitation des données. Le climat rude engendre des contraintes particulières à la station de mesure. Des températures très basses, des chutes de neige importantes en hiver, des avalanches, des interférences électrostatiques en été ne doivent pas empêcher les mesures. La plupart des points mesurés ne sont pas accessibles en hiver et ce durant 5 à 6 mois. Il n’était pas évident de trouver une entreprise capable de mettre en place, de gérer et de garder compatible un tel système de mesure dans une région alpine et ceci pour une durée de 20 à 25 ans. Il a été possible de contrôler les profils de la vallée durant au moins deux années sans subir les influences du percement. Il a ainsi été possible de déterminer la «situation normale» des profils.

Remarques finales Ces contraintes, mais également beaucoup d’autres ont pu êtres maîtrisées par les responsables de la mensuration du TBG grâce à un énorme engagement, à des connaissances approfondies, un sens de la créativité et un soin particulier. La collaboration intensive avec les école polytechnique fédérales, l’Office fédéral de la Topographie, la Direction fédérale des Mensurations et les services cantonaux du cadastre a contribué au succès de cette entreprise. Les dirigeants d’AlpTransit ont vite reconnu l’importance et la nécessité de la mensuration et ont soutenu sa mise en œuvre. Les autres articles de ce cahier démontrent également quels ont été les défis relevés et résolus par les différentes entreprises impliquées dans ce projet, ainsi que ceux qui devront encore l’être jusqu’à son achèvement.

Franz Ebneter Kreuzbuchstrasse 123 CH-6006 Luzern fh.ebneter@hispeed.ch

Fig. 4: Tracé du tunnel de base du Gothard dans le secteur des barrages de Cunera, Nalps et Sta Maria, sur le tronçon Sedrun – Faido.

AlpTransit Gotthard

La mensuration du plus long tunnel ferroviaire du monde La vision de l’expert du maître d‘ouvrage Le tunnel de base du S. Gotthard est aussi un défi technologique en matière d'ingénierie géodésique. L’auteur a été pendant plus de 20 ans, consultant de la direction de l’ouvrage. Il avait ainsi la possibilité de connaitre à fond les besoins et les processus d'un tel projet gigantesque. Dans cette longue période des premières études, à la planification, jusqu’au récent percement principal quantités inimaginables de.décisions ont été prises, de problèmes ont été résolus et d’expériences ont été accumulées. Avec le présent article l’auteur décrit dans la perspective de l’ingénieur et du professeur les étapes importantes des activités qui resteront fondamentales dans le cadre de projets futurs.

A. Carosio

Un défi de tout point de vue La mensuration de tunnel constitue un défi technique et organisationnel, particulièrement pour le maître d’ouvrage. La durée du projet est de plusieurs dizaines d’années, ce qui impose d’importantes exigences en termes d’organisation. Les expériences acquises doivent être maintenues pour l’avenir. On doit faire face à des mouvements de personnel et à des réorganisations. Compte tenu de la dynamique actuelle, on doit partir du principe que les processus planifiés doivent être continuellement adaptés à l’avancement technologique. Divers partenaires ont besoin de services de mensuration : dans un premier temps ce sont les ingénieurs projeteurs, ensuite les entreprises de construction du tunnel et finalement les responsables de la technique ferroviaire et le maître d’ouvrage pour la surveillance et la documentation de l’ouvrage. A chaque étape de la construction, les ingénieurs-géomètres doivent être en mesure d’accepter de nouvelles tâches et de les remplir rapidement et de manière fiable. Le maître d’ouvrage doit identifier les besoins à temps, donner les instructions adéquates, surveiller et approuver les résultats. De ce fait, il doit rapidement

mandater des spécialistes de la mensuration (par exemple un consortium de géomètres), mais également disposer de ses propres spécialistes capables de prendre des décisions, de demander et de contrôler des services en son nom. Il est important de noter que les premiers travaux de mensuration sont nécessaires avant le choix du consortium de géomètres et des compagnies de construction du tunnel. Pour le tunnel de base du Gothard, ce sont les CFF qui avaient initialement la fonction de maître d’ouvrage. Ils disposaient d’une section géodésique efficace et expérimentée ayant les compétences requises. La multiplicité des tâches et surtout l’urgence des tâches et des contrôles de mensuration requises ont provoqué la nécessité de faire appel à un expert externe au service du maître d’ouvrage pour soutenir les experts des CFF. En tant que professeur de l’EPF Zürich fraîchement nommé disposant de collaborateurs compétents et de quelques années d’expérience dans l'ingénierie et la mensuration nationale, j’étais intéressé par la tâche. Ce mandat, qui m’a été confié en 1991, dure jusqu’à aujourd’hui.

Influences du passé Lorsqu’en 1972, les CFF voulaient réaliser le projet pour un tunnel de base du Gothard, ils ont mandaté l’EPF Zürich pour la mensuration de base en surface (dé-

termination extrêmement précise des portails, pour pouvoir piloter les travaux du tunnel plus tard). La tâche se situait à l’époque à la limite du possible. Des instruments de mesure pour longues distances n’étaient disponibles qu’à l’EPF. Seule la technologie informatique était à même de permettre des analyses complexes et peu de spécialistes avaient la possibilité d’en faire usage. Le mandat a été confié au professeur Fritz Kobold, directeur de l’Institut de Géodésie et de Photogrammétrie (IGP) de l’EPFZ, qui a chargé Monsieur Peter Gerber, ingénieur diplômé, de la direction technique du projet. Ce dernier s’est engagé pleinement pour cette tâche. Il a créé des réseaux de triangulation, calculé les précisions atteignables, fournissait les instruments de mesures les plus modernes, planifiait les interventions par hélicoptères et livrait les coordonnées exactes nécessaires dans les délais. Les études réalisées on par la suite été résumés dans une thèse universitaire (1). Le monde politique a toutefois décidé de renoncer à la réalisation immédiate du tunnel pour des raisons financières. Durant cette période, le professeur Kobold a initié des études sur le géoïde de la Suisse (très probablement sans soupçonner quelle importance elles auront plus tard pour le tunnel de base) (2). Ces travaux particulièrement innovants ont été poursuivis par le successeur de Kobold, le professeur Max Schürer (professeur à l’université de Berne et chargé de cours à l’EPFZ). Il en résultait un modèle informatique du géoïde de Suisse, qui pouvait être utilisé dans tous les bureaux d’ingénieurs (3). La Suisse était ainsi le seul pays au monde disposant d’un modèle de géoïde accessible à tout un chacun dans une précision utilisable sur le plan opérationnel (sigma de la déviation de la verticale 0.3 mGon, sigma de la hauteur du géoïde localement 1 cm, 10 cm au niveau national). La chaire de géodésie et géodynamique sous la direction du professeur Hans-Gert Kahle a poursuivi la recherche dans ce domaine essentiel. Outre les composantes 29

AlpTransit Gotthard

Fig. 1: Modèle du géoïde suisse. astrogéodésiques, il a notamment pris en compte les composantes gravimétriques et il a amélioré l’infrastructure instrumentale. Dès lors, un nouveau modèle amélioré du géoïde de Suisse est entré en fonction en 1997 (4). Ce modèle était prêt à temps pour être utilisé dans les analyses au tunnel du Gothard.

Mes premières tâches pour le tunnel de base du Gothard En prenant mon poste de professeur à l’Institut de Géodésie et de Photogrammétrie en 1987, j’ai constaté que dans la pratique, les derniers développements de la géodésie moderne étaient connus, mais qu’il manquait bien souvent l’expérience concrète pour les utiliser avantageusement dans des projets. A cette même époque, il était question d’une reprise du projet du tunnel du Gothard et les travaux de l’Eurotunnel sous la Manche étaient prêts à débuter. Pour des raisons de politique régionale, des compagnies locales, pas particulièrement expérimentées ont été mandatées pour ce projet et des difficultés techniques sont rapidement apparues. Par la suite, des ingénieurs-géomètres allemands ont été appelés pour soutenir les travaux. Ces spécialistes ont opéré avec succès au vu des circonstances, mais erreur de percement de 35 cm était toutefois plus importante que prévue. La cause de cette erreur était une prise en compte insuffisante de la réfraction dans le tunnel, la négligence de la déviation de la verticale et des faiblesses lors de l’orientation des portails. L’Institut de Géodésie et de Photogrammétrie était 30

au courant de cette situation avant le percement final de l’Eurotunnel. En 1990, j’ai reçu le premier mandat pour le tunnel de base: il s’agissait d’effectuer une comparaison entre les nouvelles possibilités de mensurations par GPS et les mensurations de la triangulation Kobold des années 70. D’autres enquêtes, menées avec les technologies d’alors et le volume des mensurations de base existantes, ont immédiatement suivi. Les lacunes constatées au tunnel de la Manche auraient eu des conséquences désastreuses pour le tunnel du Gothard. D’une part, en raison de la longueur du tunnel, l’orientation devait être corrigée par des mesures gyroscopiques à l’intérieur du tunnel. D’autre part, les déviations de la verticale irrégulières de l’espace alpin non prises en compte auraient fortement faussé le Nord réel gyroscopique. Il est nécessaire d’utiliser des modèles d’évaluation nettement meilleurs pour obtenir la précision répondant aux exigences actuelles. Cela m’a permis de justifier des études complémentaires que mon équipe a effectuées de sa propre initiative sur la base de fonds de l’EPFZ. De concert avec mes collègues de l’époque, Messieurs F. Chaperon et H. Matthias j’ai requis l’achat (auprès de DMT en Allemagne) d’un gyrothéodolite de haute précision ainsi qu’un crédit de recherche pour développer et tester les modèles mathématiques nécessaires. L’EPFZ a prouvé sa clairvoyance et le viceprésident des Services (Monsieur C.A. Zehnder) a accordé le financement des deux projets. Ainsi, l’EPFZ était en mesure de mener une série d’enquêtes à partir de 1992. Comme nous disposions d’une chambre climatique équipée pour des mesures de direction de haute précision, nous pouvions également effectuer des analyses instrumentales complètes et conformes à la réalité. Les travaux les plus importants durant cette période du début étaient cependant les études concernant l’effet du champ de gravitation irrégulier dans la région des Alpes sur les azimuts gyroscopiques la possibilité de les corriger par calcul à l’aide du modèle de géoïde (déviations de la verticale) disponible.

Fig. 2: Etudiant en compagnie de F. Ebneter, A. Gisi et A. Carosio dans la galerie de sécurité du tunnel routier du Gothard (Airolo 1992). D’autres recherches concernaient l’estimation des précisions des mensurations prévues dans des conditions proches de la réalité. Elle permettait d’estimer la précision de percement atteignable de manière fiable (5), (6), (7), (8), (9).

Le transfert de connaissances Le projet du tunnel de base du Gothard ayant été accepté par le peuple en 1992, le transfert des technologies dans la pratique devenait une priorité. Il était effectué avec la participation de membres de l’institut ou d’étudiants aux enquêtes. Cela leur permettait d’acquérir et de développer des compétences. L’index des publications indique les noms des auteurs des publications de cette période. Par la suite, plupart de ces auteurs ont participé de manière significative au succès des travaux de mensuration au Gothard en tant que responsables dans le consortium de géomètres et ont pu y apporter et utiliser leur savoir-faire. L’assurance réussie de la relève était dès lors une conséquence indirecte du mandat aux experts. Une autre conséquence importante de l’activité des experts pour le tunnel de base du Gothard était une série de séminaires de formation continue sur des sujets actuels de l’ingénierie géodésique (technique de mensuration, méthode d’évaluation, géoïde, gyrothéodolite) que

AlpTransit Gotthard

Fig. 3: Cours de diplôme en mensuration à Lugano 1994. nous avons organisés en 1993 et 1994 en vue des futurs projets de tunnel. Dans ces séminaires, les auteurs de nos enquêtes informaient sur les conséquences pratiques des résultats. Il y a de bonnes raisons de penser que les résultats de l’appel d’offre international pour les travaux de mensuration du tunnel de base ont été influencés de manière significative par ces séminaires, qui ont eu lieu à plusieurs reprises. De tout point de vue, les offres des entreprises suisses ont eu le plus de succès. Ces entreprises ont pu s’imposer pour les mandats dans tous les lots d’AlpTransit. Quant à l’EPFZ, elle a veillé à temps et avec succès au transfert des connaissances et a créé des conditions efficaces pour la promotion de la relève.

lisées pour l’évaluation et l’appréciation des mesures géodésiques du tunnel du Gothard. Ils sont également utilisés pour le tunnel du Lötschberg et le tunnel du Monte Ceneri.

Coopération opérationnelle Les tâches de l’expert en géodésie changent avec le temps. Alors que durant la première phase les évaluations scientifiques se situaient au premier plan, j’ai commencé à m’occuper également de la partie opérationnelle des travaux de mensuration du tunnel en 1994. J’ai coopéré avec d’autres experts (F. Ebneter, K. Egger et St. Flury) au comité de rédaction de l’avant-projet, par lequel les exigences pour la mensuration du tunnel de base du Gothard ont été formulées et pour les-

quelles les études scientifiques de l’EPFZ mentionnées plus haut (simulations, indicateurs de fiabilité) ont été utilisées. L’l’appel d’offre international des travaux de mensuration était basé sur cet avant-projet. Au début 1995, je suis devenu membre de la commission d’évaluation menée par le directeur des mensurations, Monsieur W. Bregenzer, qui évaluait les offres et attribuait le mandat au consortium de géomètres VIGBT. Après l’attribution du mandat, le maître d’ouvrage a transféré la responsabilité aux ingénieurs-géomètres mandatés. L’importance de l’EPFZ pour la mensuration au Gothard restait néanmoins significative.

Recherches sur demande Lors de questions ou incertitudes, nous avons initié des études concernant les problèmes qui se posaient. Les résultats ont immédiatement été documentés et mis à la disposition de l’Alptransit Gotthard AG et des ingénieurs-géomètres, par exemple: (14), (15), (16), (17). Ces travaux de recherche et leurs résultats ont été pertinents au niveau national et international. Ils ont souvent été présentés lors de congrès internationaux et publiés dans des «proceedings» et des revues scientifiques.

Autres activités de recherche Durant la même période, d’autres projets de recherche, qui étaient d’une importance indirecte pour les transversales alpines, ont été menés à terme: a) Le modèle de fiabilité pour la mensuration nationale suisse, connu dans la pratique sous le nom de «rectangles de fiabilité» (10) b) Méthodes de la statistique robuste dans la géodésie (12), (13). c) La combinaison de mesures terrestres et d’observations par satellite dans des réseaux planimétriques (11). Ces procédés sont aujourd’hui encore utilisés quotidiennement dans la pratique et sont devenu les procédures standard uti-

Fig. 4: Le programme du séminaire 1994.

Fig. 5: Le rapport de l’avant-projet d‘avril 1994. 31

AlpTransit Gotthard

Contrôle des prestations de mensuration Au fil du temps, un nombre croissant de rapports contenant les résultats de services de mensuration m’ont été soumis pour contrôle. Ce travail sert à minimiser les risques et, en règle générale, aucun manquement important n’est constaté. Le contrôle crée toutefois l’occasion de discuter des défis techniques, de comparer des alternatives et de planifier d’éventuelles améliorations. Il y a eu quelques rares exceptions: en 1991, un problème d’implémentation dans le modèle de géoïde a pu être identifié, qui donnait des résultats différents selon l‘installation. La cause a pu être corrigée avant que l’établissement du tracé du tunnel en soit influencé. Plus tard, en 1998, un problème est apparu avec les nouveaux appareils à nivellement numériques à haute précision. Il y a eu des erreurs de hauteur systématiques lors des relevées souterraines. La source de l’erreur a pu être identifiée. Le consortium de géomètres du tunnel du Lötschberg a développé un éclairage homogène des jalons par LED et, grâce à de nouvelles règles d’utilisation pour ces dispositifs, les influences systématiques ont été du domaine du négligeable lors des relevées dans le tunnel de base.

nifiées ont été adéquates jusqu’à la fin. Nous n’avons pas subi de situations d’urgence. Mais il aurait été irresponsable de ne pas prévoir de tels événements.

Remarques finales La mensuration d’un système de tunnel moderne n’est pas un travail de routine. Il nécessite des ingénieurs en géomatique compétents, expérimentés et avérés, capables de maîtriser des événements inatFig. 7: Erreurs systématiques et nivellements. appareil et seule en mesure de le calibrer, ces mesures étaient indispensables. Afin de ne pas mettre en péril l’indépendance de ma fonction d’expert, la majorité de ces travaux a été menée de manière autonome et indépendante de mes expertises par D Salvini, mandaté par le consortium de géomètres VI-GBT. A la demande d‘AlpTransit AG et VI-GBT, des parties des gyrothéodolites ont également été mesurés par le fabricant (DMT Essen) et l’Université de la Bundeswehr, afin d’effectuer des contrôles périodiques indépendants.

La tâche la plus importante de l’expert du maître d‘ouvrage

Les mesures d’azimut à l’aide de gyrothéodolites Durant les travaux dans le tunnel, l’Institut de Géodésie et de Photogrammétrie (IGP) de l’EPFZ A été périodiquement mandaté d’effectuer des mesures à l’aide de gyrothéodolites dans le tunnel. L’EPFZ étant la seule institution en Suisse à disposer d’un tel

Fig. 6: Les expertises en cours. 32

Dans la première phase du projet, l’expert externe est sollicité pour effectuer des enquêtes scientifiques. Il a également un rôle d’évaluateur. Pendant toute la durée du projet, mais particulièrement durant la phase de l’exécution des travaux, il doit assurer la sécurité en cas d’urgence. Lors d’évènements inattendus dans les domaines technique et organisationnel, l’expert et son équipe sont est en mesure de soutenir et, le cas échéant, de remplacer les principaux responsables. Il n’est pas possible de planifier l’inattendu, mais on peut élaborer des scénarios de risque. C’est ce qui a été fait par AlpTransit Geomatik en collaboration avec VIGBT et l’expert soussigné. Heureusement, nous avons pu constater que les mesures pla-

Fig. 8: Le gyrothéodolite de l’EPFZ en action au tunnel du Gothard. tendus. La condition de base pour l’attribution de mandats dans la mensuration d’ingénieur est l’établissement de critères stricts pour les candidats, qui doivent pouvoir présenter de solides références pour des travaux similaires. Ils doivent également disposer d’une équipe de collaborateurs compétente, dans l’effectif permanent compte des ingénieurs de formation universitaire et des diplômés des Hautes écoles spécialisés en géodésie. La formation et l’expérience ne peuvent être improvisées. Il faut noter que les services de mensuration doivent être fournis pendant des dizaines d’années et que des collaborateurs atteignent l’âge de la retraite ou s’orientent vers d’autres activités. L’entreprise choisie doit garantir la continuité de ses compétences en toutes circonstances.

AlpTransit Gotthard

Le personnel dirigeant doit garantir la précision des tunneliers actuellement requise dès le début du projet. Simultanément, il doit observer les développements scientifiques et continuellement intégrer les nouvelles technologies disponibles dans le concept de planification. Les évènements non planifiés peuvent nécessiter de nouvelles prestations ou des interventions d’urgence. Seul un entrepreneur spécialisé capable d’exécuter de multiples tâches et de mettre à disposition du personnel et des compétences répondant aux besoins est en mesure de relever ce défi. Ces conditions étaient remplies en ce qui concerne le tunnel de base du Gothard et nous avions la chance (due probablement à la compétence de toutes les personnes impliquées de ne pas devoir faire face à des situations d’urgence ou à des évènements inattendus. Les conditions organisationnelles requises pour atteindre les objectifs même dans de telles situations étaient toutefois réunies. En comparaison au coût global du projet, celui de la mensuration est très bas. Une mensuration de haute qualité permet de réduire le profil du tunnel, rend inutile les corrections de profil ultérieures, signale immédiatement un comportement inattendu de la montagne etc. De ce fait, elle permet de réaliser des économies importantes qui peuvent largement atteindre entre 100 millions CHF et 1 milliard CHF, même si ces chiffres sont difficiles à prouver. Il vaut donc la peine d’investir dans les services de mensuration pour prendre un minimum de risques dans ce domaine. En ce qui concerne le tunnel de base du Gothard, cette politique a fait ses preuves.

Bibliographie: (1) Peter Gerber: Das Durchschlagsnetz zur Gotthardbasislinie, Doktorarbeit ETH Zürich 1974. (2) Alois Elmiger: Studien über die Berechnung von Lotabweichungen aus Massen, Interpolation von Lotabweichungen und Geoidbestimmung in der Schweiz, Doktorarbeit ETH Zürich 1969. (3) Werner Gurtner: Das Geoid in der Schweiz, Doktorarbeit ETH Zürich 1978, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Blaue_ Berichte_PDF/20.pdf. (4) Urs Marti: Integrierte Geoidbestimmung in der Schweiz, Doktorarbeit ETHZ 1997), http://e-collection.ethbib.ethz.ch/eserv/ eth:40540/eth-40540-01.pdf. (5) M. Zanini: Hochpräzise Azimutbestimmung mit Vermessungskreiseln, IGP Bericht 209, ETH Zürich 1992, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Graue_Berichte_PDF/ 209.pdf. (6) K. Maser: Alptransit, Portalnetz Polmengo. Absteckung des Portals des Sondierstollens zur Untersuchung der Pioramulde, IGP Bericht 213, ETH Zürich 1993, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Graue_ Berichte_PDF/213.pdf. (7) M. Zanini, R. Stengele, M. Plazibat: Kreiselazimute in Tunnelnetzen unter Einfluss des Erdschwerefeldes, IGP Bericht 214, ETH Zürich 1993, www.igp-data.ethz. ch/berichte/Graue_Berichte_PDF/214.pdf.

(11) A. Carosio: La combinaison de mesures terrestres et par satellite dans les réseaux planimétriques, Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik 10/1992, www.igpdata.ethz.ch/berichte/Graue_Berichte_P DF/311.pdf (siehe Kap. 14). (12) Fridolin Wicki: Robuste Ausgleichung geodätischer Netze , IGP Bericht 189, ETH Zürich 1992, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Graue_Berichte_PDF/189.pdf. (13) Fridolin Wicki, M-Schätzer: IGP Bericht 190, ETH Zürich 1992, www.igp-data. ethz.ch/berichte/Graue_Berichte_PDF/190 .pdf. (14) O. Reis: Mesures gyroscopiques et déviation de la verticale, IGP Bericht 249, ETH Zürich 1995, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Graue_Berichte_PDF/249.pdf. (15) A. Carosio, O .Reis: Geodetic Methods and Mathematical Models for the Establishment of New Trans-Alpine Transportation Routes, IGP Bericht 260, ETH Zürich 1996, www.igp-data.ethz.ch/berichte/ Graue_Berichte_PDF/260.pdf. (16) Desiderio, R. Koch: Der Einfluss der Temperatur auf Kreiselazimute hoher Präzision., IGP Bericht 281, ETH Zürich 1998, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Graue_ Berichte_PDF/281.pdf. (17) Dante Salvini: Deformationsanalyse im Gotthardgebiet, IGP Bericht 297, ETH Zürich 2002, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Graue_Berichte_PDF/297.pdf.

(8) O. Reis: Die Überprüfung des Gotthardbasisnetzes, IGP Bericht 224, ETH Zürich 1993, www.igp-data.ethz.ch/berichte/ Graue_ Berichte_PDF/224.pdf. (9) O. Reis: Calculs de simulation pour la ligne de base du St. Gothard, IGP Bericht 231, ETH Zürich 1994, www.igp-data. ethz.ch/berichte/Graue_Berichte_PDF/231 .pdf. (10) A. Carosio, Hsg.: Zuverlässigkeit in der Vermessung Weiterbildungstagung ETHHönggerberg 15. und 16. März 1990, www.igp-data.ethz.ch/berichte/Graue_ Berichte_PDF/169.pdf.

Prof. Dr. Alessandro Carosio em. Prof. für Geoinformationssysteme und Fehlertheorie Institut für Geodäsie und Photogrammetrie ETH-Hönggerberg CH-8093 Zürich alessandro.carosio@geod.baug.ethz.ch

AlpTransit Gotthard

Défis technologiques en matière de mensuration lors de la construction du tunnel de base du Gothard. Point de vue de l’entrepreneur En janvier 2002 l’équipe de mensuration du Consorzio TAT a commencé ses travaux pour les lots Bodio-Faido et Faido-Sedrun. L’arpenteur du maître de l’ouvrage, le VIGBT (Vermessungsingenieur Gotthard-Basistunnel) a transmis toutes les données de mensuration à l’entreprise de construction qui au début a affecté une seule personne puis plusieurs au chantier. Puisque les deux lots ont été mis en chantier simultanément le Consorzio TAT décida de remettre le minage pour la construction de la place multifonction à Faido ainsi que l’intégralité des mensurations géotechniques à Amberg Technologies. Le forage mécanique, les installations intérieures et la mensuration des tunnels de liaison latéraux sont restés pour les deux lots du ressort de l’arpenteur de l’entreprise de construction.

R. Deicke Les premiers travaux ont consisté dans l’implantation des deux places pour les installations, ainsi que la préparation du percement de Faido. Ce dernier a été effectué au moyen d’un laser motorisé, avec les programmes TMS-Office et TMS-Setout. Dans les phases critiques, il y avait jusqu’à 10 positions mesurées simultanément. Les données transitaient jusqu’au tunnelier qui pouvait ainsi creuser selon le profil souhaité. Il a fallu faire face à de nombreuses casses, dues à la nature de la montagne. Le pain quotidien des géomètres a consisté en de multiples mesures 3D, des mesures au moyen d’extensomètres, d’inclinomètres, de tapes, de systèmes de mesure de pression et de jauges de déformation. Il a fallu également contrôler en permanence le réseau des points fixes. Tout ceci a occasionné une activité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. En plus de mesures, il a également fallu tout calculer et documenter. Les journées de travail étaient longues mais après 4 ans ½, le percement 34

était achevé, et environ 9500 m de tunnels divers terminés. Après que les tunneliers furent calibrés et munis de points de contrôle chez le constructeur Herrenknecht à Werk, le premier percement a débuté en novembre 2002 dans le tunnel est, le second dans le tunnel ouest Les deux tunneliers ont été guidés pas un système de guidage de la société VMT. Les deux tunneliers ont commencé leur percement à TM2500 pour le tunnelier est et TM 1500 pour le tunnelier ouest. Avant cela, les réseaux de points des portails ont été calculés depuis des positions de mesure, afin de pouvoir donner depuis ces endroits indications pour les systèmes de guidage. Les points de mesures sont sur des consoles qui se trouvent à la moitié de la hauteur de tunnel et éloignée d’environ 1 m du bord de celui-ci. Il a ainsi été possible de minimiser les effets de la réfraction, ce qui a été constaté lors du calcul du réseau. Les mesures du réseau ont été étendues aux mesures précédentes avec un recouvrement suffisant après environ 150 m à l’intérieur du tunnel. Les points de mesures destinés aux tunnelier et les points

Fig. 1: Laser motorisé avec mesures jusqu’au profil de percement.

de référence pour la construction du soubassement ont ainsi été une nouvelle fois déterminés. Deux polygonales supplémentaires ont été ajoutées à l’intérieur du tunnelier : une sur le tracé des lasers, pour le guidage du tunnelier en une autre vers le soubassement pour la réalisation de ce dernier. Les deux polygonales ont été fusionnées dans la partie avant, afin de garantir un réseau unitaire pour le guidage du tunnelier et la réalisation du soubassement. Dans la partie aval du tunnel l’on a en outre mesuré l’excavation des ramifications transversales, ceci en plus des mesures quasi hebdomadaires des réseaux, de la gestion du système de guidage, de la mise en œuvre des lasers et des contrôles de toutes la composantes du guidage. Pour cela il a fallu mesurer périodiquement des profils de contrôle dans les ramifications transversales, ainsi que dans tous les endroits présentant un risque de déformations. Les tunnels percés ont été scannés avent leur consolidation. Il a été possible de déterminer la planéité du béton projeté, ce qui représente un facteur important pour la consolidation. Il a également été possible de déterminer des données sur les profils qui ont pu être utilisées par la suite lors de la construction intérieure du tunnel.

AlpTransit Gotthard

Fig. 2: Illustration des percements à effectuer. Les joints du coffrage ont été implantés grâce aux plans synoptiques de la construction intérieure. Des tableaux métriques pour le tunnel ont ensuite été posés et le profil contrôlé. Enfin, il a fallu implanter et construire la banquette. La construction brute a ainsi été achevée. Les

différents profils du tunnel ont été à nouveau scannés, afin de contrôler le gabarit du tunnel et d’identifier d’éventuelles fissures dans le béton. Celles-ci pourront par la suite être colmatées. Les mesures de contrôle et les travaux d’implantation ont été effectués dans le même temps dans le site multifonctionnel de Faido. En ce moment ont lieu les travaux de bétonnage dans les 4 embranchements dans le tunnel, dans les tunnels de liaison, les galeries d’évacuation, les galeries d’aération et les galeries latérales. Les points principaux mesurés par l’entreprise ont été contrôlés tous les 500800 m par VI-GBT. Les différences sont restées dans l’ordre du millimètre, tant en altimétrie qu’en planimétrie. Le tournus des travaux de la mensuration est établi selon un rythme de décade: 9 jours de travail et 5 jours de congé. Au cours des périodes intensives, ce ne sont pas moins de 18 personnes qui étaient actives à Bodio et à Faido. Il y a actuellement 9 personnes occupées. A présent les travaux dans le tunnel ouest sont avancés. Le percement a été achevé le 15 octobre 2010 et le tunnel est de Bodio à Erstfeld est ouvert sur 57 km. L’erreur finale

Fig. 3: Différentes pièces destinées aux mesures de déformations.

Fig. 4: Tunnelier dans l’atelier Herrenknecht.

Fig. 5: Composantes du système de guidage. 35

AlpTransit Gotthard

Fig. 6: Configuration du réseau.

Fig. 7: Console de mesure avec support pour la mesure.

constatée, d’une précision remarquable de 8 cm latéralement, 0 cm en altimétrie et 14 cm sur la longueur a pu être atteinte grâce à la bonne collaboration entre VIGBT et Amberg Technologies comme

sous-traitant pour la mensuration et les travaux de mensuration du «Consorzio TAT».

Fig. 8: Construction de la banquette.

Bonne chance à tous.

Reinhard Deicke Consorzio TAT Isengrundstrasse 18 CH-8134 Adliswil reinhard.deicke@tat-ti.ch

Fig. 9: Tunnel bétonné et terminé.

AlpTransit Gotthard

Contrôles du tunnelier au Gothard Les exigences particulières de l’avancement du perçage du Gothard ont posé des défis élevés aux systèmes de navigation des quatre tunneliers. Des entraves supplémentaires par des travaux entrepris en parallèle au perçage (poussière, chaleur, vibrations) ont empêché une procédure de mensuration normale. Dans le présent article ont décrit comment, par le choix des matériaux et par la modification des procédés de mesurage la navigation des tunneliers a néanmoins pu être assurée.

M. Messing

Le guidage d’un tunnelier est comparable à celui d’un super tanker. L’influence réelle d’une correction n’est visible que bien plus tard. Des conducteurs expérimentés connaissent les réactions de «leur» machine en fonction de conditions géologiques différentes. L’information la plus importante pour le guidage d’un tunnelier est la détermination précise et fiable de sa position. Bien que le tunnelier se déplace lentement vers l’avant, il peut s’écarter de sa trajectoire planifiée et dépasser la limite de tolérance de 100 mm par rapport à l’axe prévu. Afin d’éviter ceci, le vrai défi pour un tunnel de cette longueur est une coordination parfaite entre la mesure de la trajectoire et le guidage de la machine. Toutes les informations géodésiques doivent pouvoir être collectées grâce à des polygonales traditionnelles et transmises vers l’avant et la zone de percement. Pour ce faire, il n’y a, dans la zone de la machine, qu’une petite «fenêtre laser» vers la paroi du tunnel. Celle-ci se déplace à mesure de l’avancement du percement. Le projet du Gothard a en outre pour particularité l’exécution simultanée de travaux dans le tunnel en parallèle au percement. Le concept de la machine et du système de contrôle ont donc été conçus dans ce sens. Le système de guidage a aussi du être adapté en fonction de ces conditions

Exigences du système de guidage (système de navigation) Un système de guidage implique un système de navigation. Il transmet des informations pour la mise en œuvre du guidage et les corrections de trajectoire. Pour cela, il est indispensable de connaître de façon instantanée et précise la position du tunnelier par rapport à l’axe projeté du tunnel. Afin de garantir une disponibilité de la position du tunnelier exigée à 98%, il est indispensable de mesurer la position de ce dernier de façon permanente. Il s’agit en plus de déterminer et de documenter de façon permanente les inclinaisons longitudinales et latérales du tunnelier. Pour cela, il faut afficher l’état de toutes les composantes importantes des senseurs du système de guidage et mettre en place un contrôle automatique de la direction. Les contrôles de navigation sont généralement effectués au moye de récepteurs GPS. A l’intérieur d’un tunnel, il n’y a pas de réception des signaux des satellites, si bien que les déterminations de position doivent être effectuées au moyen d’instruments classiques robotisés.

Particularités du système utilisé au Gothard Deux concepts de contrôle différents ont été mis en place pour les secteurs nord et

sud du projet du tunnel du Gothard. Pour ce faire, il a fallu concevoir deux systèmes de navigation différents, tout en gardant les mêmes composantes hardware. Celles-ci se composent de tachymètres motorisés, d’inclinomètres électroniques pour la détermination des inclinaisons et les prismes rabattables pilotés par le logiciel qui servent de points de calage. A cela s’ajoutent les données géométriques de la machine qui sont fournies en continu par le système de positionnement du tunnelier et qui servent à calculer la position actuelle. En parallèle au percement, les travaux de bétonnage par projection, la construction de la voûte les percements pour les ancrages doivent être effectués. Ceux-ci entravent bien entendu les lignes de visées vers les points de calage de la machine, si bien que les méthodes de mensuration classiques ne peuvent plus être utilisées. Les vibrations mettent en plus à l’épreuve les composantes du hardware, comme les stations totales, les ordinateurs et les prismes motorisés.

Système de guidage dans le secteur Gothard Nord – Amsteg Trois systèmes de contrôle ont été mis en place dans le secteur nord durant le percement, sur des rails prévus à cet effet. Les unités de mesure se trouvaient sur des consoles mobiles sur les parois et ont été déplacées avec le percement (figure. 1). Ce secteur était ainsi stable et il a été possible de calibrer la tête de forage, ceci grâce à une «fenêtre laser». Les coordonnées et l’orientation de la station totale ont du être déterminées à nouveau à chaque avancée du forage. Ceci a été possible dans ce secteur grâce à l’utilisation de points de calage dans le soubassement. La mesure des rails de guidage servant à supporter la première partie du système de contrôle a été réalisée grâce à l’implantation de points de calage. Ces points ont également été utilisés pour la détermination de stations libres de la station totale (figure. 2). 37

AlpTransit Gotthard

Mobile trail during advance

Maschine prism

During advance short time stable

Tracks Machine Total station on AD12

2 axis iclinometer

Fig. 1: Concept du système de contrôle dans la section Gothard Nord. Le système de contrôle a du être déplacé après chaque étape du percement, les coordonnées et l’orientation de la station totale ont ainsi changé. Lorsque les gripper ont été à nouveau bloqués, un signal a été envoyé à l’ordinateur de guidage que a déclanché une mesure automatique des points de calage par la station totale. Après que les cordonnées et l’orientation aient été déterminées Il a été possible de mesurer la position du tunnelier grâce aux prismes automatiques installée sur la tête de forage (figure. 3). La station totale était montée sur un trépied automatique (AD-12) qui pouvait compenser automatiquement des inclinaisons latérales et longitudinales du système de contrôle et horizontaliser automatiquement la station totale.

Système de guidage dans le secteur Gothard Sud – Bodio Dans le secteur sud, le système de contrôle a été installé sur deux mécanismes de

déplacement qui étaient fixés durant le percement. Après le percement, ces mécanismes de déplacement ont été récupérés et déplacés vers l’avant. Ces mécanismes de déplacement étaient en fait des constructions momentanément stables (figure. 4). Quatre prismes motorisés ont été fixés sur le châssis de la machine (figure. 5) et mesurés par rapport à l’axe de cette dernière. Ce système local de coordonnées a été introduit dans le calculateur. Durant le percement, le châssis de la machine se déplaçait vers l’avant et la station (station totale motorisée montée sur un trépied AD-12) était montée sur un support rabattable (voir figure. 6), relié au mécanisme avant et indépendant du système de contrôle. Ce mécanisme ne se déplaçait pas durant le percement. Il n’était dépla-

Concrete spraying works Gripper

Maschine station

Concrete spraying works

Trailer

Cutter head

Motor prism

Wall mounted station

Stepper

Trailer

Alignment target

Fig. 4: Concept du système de contrôle dans la section Gothard Sud.

Fig. 2: Station totale Gothard Nord. 38

Fig. 3: Prismes rabattables intégrés (fermés).

AlpTransit Gotthard

Fig. 5: Prismes rabattables sur le châssis de la machine. cé vers l’avant qu’après le percement. Les prismes motorisés ont été mesurés grâce à la station et les coordonnées globales ont pu être déterminées (cycle de mesure). La position du tunnelier a ensuite pu être déterminés grâce à une transformation. Attendu que le tunnelier est en mouvement durant le cycle de mesure, une correction de distance est appliquée aux mesures sur les prismes motorisés (transformation dynamique). Les coordonnées et l’orientation de la station n’étaient stables que momentanément, comme dans le système Gothard Nord, c'est-à-dire qu’elles étaient modifiées avec chaque avancement. Lorsqu’un tronçon était achevé, les grippers sont bloqués le tout est avancé et à nouveau fixé aux parois. Le tunnelier donne alors un signal au à l’ordinateur du guidage, qui a ensuite déclanché la mesure de la station de la machine, grâce à la station installée sur la paroi à l’arrière. La station de la machine a ensuite déterminé l’orientation automatiquement avec la station située sur la paroi. Le processus de mesure dure environ deux minutes. Il est ensuite possible de débuter les travaux de projection du béton dans le secteur concerné.

Fig. 6: Supports rabattables avec station.

le guidage sur un écran (figure. 7). Des indications comme le déplacement par rapport à l’axe projeté (horizontalement et verticalement) ou les inclinaisons transversales et longitudinales y sont notamment données. L’on y trouve également des indications telles que l’état des senseurs en service, le numéro de la station et de l’étape de forage. Il est également possible d’avoir accès aux contrôles de direction et à l’historique du trajet forage. La principale fonction de l’écran restant

de contrôler le trajet du tunnelier, ce qui influence directement les commandes.

Résumé L’adaptation du système de guidage pour le percement a certainement représenté un défi technique important. Les composants et le matériel utilisé ont du faire face à des sollicitations extrêmes engendrées par les vibrations, la poussière et la chaleur. Attendu que le processus de per-

Indication de la position du tunnelier Le conducteur du tunnelier peut consulter toutes les données importantes pour

Fig. 7: Position du tunnelier calculée par transformation en comparaison avec l’axe du tunnel. 39

AlpTransit Gotthard

cement ne tolérait aucun dérangement, il a fallu adapter le système de fonctionnement du système de commande en conséquence. Il a été nécessaire non seulement d’adapter plusieurs fois la géométrie du système de mesure durant le percement, mais aussi les composantes du hardware. Il a été par exemple nécessaire de refroidir au moyen d’air comprimé l’unité de contrôle (conversion de données et réseau), tout en se conformant à la classe de protection IP62.

Il était avantageux d’avoir utilisé des composantes hardware du même type et un concept de software modulaire. Il a ainsi été possible d’effectuer des adaptations assez simplement. Cela n’a pas toujours été simple et il convient de remercier tous les intervenants pour leur patience et leur compréhension lors de la mise en oeuvre du système et des adaptations souhaitées. L’un dans l’autre, ce projet a servi d’avancée en matière de technique et de procédés,

si bien que de futurs projets pourront certainement en profiter.

Manfred Messing VMT GmbH Gesellschaft für Vermessungstechnik Stegwiesenstrasse 24 DE-76646 Bruchsal m.messing@vmt-gmbh.de

AlpTransit Gotthard

Contributions de la mensuration nationale au tunnel de base du Saint-Gothard, cœur du projet AlpTransit Au cours des années 1990, l’Office fédéral de topographie swisstopo a conçu la nouvelle mensuration nationale MN95 en réalisant sa pièce maîtresse, soit le réseau national GPS. La nouvelle œuvre de la mensuration nationale a été complétée par le réseau altimétrique national RAN95 et par le calcul d’un nouveau modèle de géoïde de la Suisse. Par sa précision homogène de l’ordre du centimètre sur l’ensemble du territoire, la nouvelle mensuration nationale répond également aux exigences des mensurations de base pour les grands projets comme les tunnels de base du Gothard ou du Lötschberg.

A. Wiget, U. Marti, A. Schlatter

L’œuvre de la mensuration nationale de 1995 La mensuration nationale géodésique constitue l’une des tâches principales dévolues à l’Office fédéral de topographie swisstopo. Elle consiste à établir des bases géodésiques, à poursuivre leur développement et à en assurer la conservation. Ces bases comprennent notamment les systèmes de référence terrestre et leur concrétisation par des cadres de référence au moyen de canevas de points fixes et de réseaux géodésiques permanents. A partir du milieu des années 1980, les technologies modernes de la géodésie par satellites, en particulier le GPS, ont permis de renouveler la mensuration nationale d’une manière économiquement efficace tout en renforçant fortement sa précision et sa capacité à être utilisée. swisstopo a renouvelé la mensuration nationale dans le cadre du projet de mensuration nationale de 1995 (MN95) [Signer 2002]. Les éléments principaux de cette œuvre de mensuration sont les suivants: la définition des systèmes de référence géodésiques CHTRS95 et CH1903+, la station fondamentale de

Zimmerwald, le réseau national GPS, le réseau GNSS automatique de la Suisse (AGNES), le service de positionnement swipos, le réseau altimétrique national RAN95, le réseau gravimétrique national RGN2004, le modèle du géoïde de la Suisse CHGeo2004 et le modèle cinématique CHKM95. Entre 1989 et 1995, swisstopo a mis en place le réseau national GPS comportant plus de 200 points durablement matérialisés, l’a mesuré puis rattaché à des réseaux de référence internationaux. En conjonction avec le réseau GNSS permanent AGNES, ces points concrétisent le nouveau cadre de référence de la mensuration nationale MN95, lequel a pratiquement pris la place de la triangulation nationale MN03 (1er au 3ème ordre). Des mesures réalisées à titre comparatif ont mis en évidence la présence de déformations (systématiques par secteurs) dans le cadre centenaire MN03, atteignant jusqu’à 1,5 m. La précision (1 sigma) à l’échelle nationale des coordonnées planimétriques du cadre de référence MN95 étant quant à elle de l’ordre du centimètre, la nouvelle mensuration nationale a par conséquent permis d’améliorer la précision planimétrique d’un facteur 100. Si le nouveau réseau altimétrique national RAN95 continue à s’appuyer sur le ni-

vellement fédéral (NF), les variations dans l’espace du champ de pesanteur terrestre ou des surfaces équipotentielles (modèle du géoïde) ont aussi été prises en compte lors du retraitement complet de toutes les mesures réalisées depuis 1903 pour le NF. Les mouvements tectoniques des points mesurés (cinématique de la croûte terrestre superficielle) sont par ailleurs modélisés et les mesures du NF sont soumises à une compensation cinématique. Au contraire des altitudes usuelles fournies par le cadre de référence altimétrique officiel NF02, les altitudes du RAN95 sont calculées et compensées comme des cotes orthométriques, dans le strict respect de la théorie du potentiel. C’est aussi pour cela qu’un nouveau modèle de géoïde (CHGeo2004) fait partie de la nouvelle œuvre de mensuration. Tout comme son prédécesseur, ce modèle se fonde essentiellement sur des mesures astrogéodésiques de la déviation de la verticale, toutefois complétées par des observations GPS sur des points du réseau altimétrique national et des données gravimétriques. Le gain de précision résulte largement des nombreuses mesures supplémentaires, mais découle également des progrès enregistrés par le modèle du terrain et celui des masses. Afin de garantir la cohérence entre les cotes ellipsoïdiques du réseau national GPS (MN95), les cotes orthométriques de RAN95 et les cotes du géoïde fournies par le nouveau modèle du géoïde, l’ensemble des mesures et des données concernées a fait l’objet d’une compensation globale combinée dans le réseau «Swiss Combined Geodetic Network (CHCGN)».

Avant-projet du tunnel de base du Saint-Gothard Avec MN95, l’Office fédéral de topographie swisstopo a d’emblée visé à couvrir non seulement les besoins inhérents à la mensuration officielle en Suisse, mais aussi ceux propres à des projets de grande ampleur, de façon à créer des synergies appropriées avec des mensurations d’ingénieur riches de multiples exigences [Schneider et al. 1996]. Le recours concret 41

AlpTransit Gotthard

précoce à la géodésie par satellites (GPS) dans la mensuration nationale et la collaboration étroite avec l’Institut d’astronomie de l’université de Berne (AIUB) et l’Institut de géodésie et de photogrammétrie (IGP) de l’ETH Zurich dans le cadre de projets de recherche de la Commission géodésique suisse (CGS) ont très vite permis à swisstopo de se placer en pointe dans le domaine des applications GPS en mensuration d’ingénieur. L’office bénéficiait par ailleurs de décennies d’expérience en matière aussi bien de mesures de triangulation, de nivellements de précision et de déterminations du champ de pesanteur à l’échelle suprarégionale que de mesures de déformation et disposait en outre des connaissances requises pour combiner au mieux ces différentes méthodes entre elles. swisstopo participait dès la fin des années 1980 à différentes mensurations primordiales réalisées dans l’optique de grands projets, notamment celles effectuées pour les tunnels de RAIL2000. Afin que les tâches assignées à la mensuration de base pour AlpTransit soient coordonnées de façon optimale avec la mensuration nationale et la mensuration officielle, un groupe de coordination baptisé «Mensuration AlpTransit» a été mis en place. Il se composait bien sûr de représentants des maîtres de l’ouvrage (CFF et BLS), mais aussi d’experts de l’ETHZ et des autorités fédérales de la mensuration. Différents problèmes ont été traités par l’IGP ou par swisstopo dans le cadre de l’avant-projet, pour le compte de ce groupe. Les études ainsi réalisées servirent de bases pour les appels d’offre publics lancés pour les travaux de mensuration. Les exigences de précision élevées à satisfaire par les réseaux conçus pour le percement des tunnels de grande longueur imposent, dans un contexte aussi particulier que l’espace alpin, de tenir compte de particularités géodésiques telles que les variations dans l’espace du champ de la pesanteur, la cinématique de la croûte terrestre superficielle ou l’influence de la réfraction sur les mesures GPS. swisstopo a pu faire profiter le projet de tunnel de base du Saint-Gothard (TBG) des expériences les plus diverses acquises dans le 42

cadre de la mensuration nationale GPS et du nivellement fédéral. A cela se sont ajoutés des enseignements sans lien direct avec le percement, mais qui ont malgré tout été pris en compte globalement dans le projet (cas par exemple des tassements décelés lors de la mesure du nivellement fédéral à travers le tunnel routier du Saint-Gothard (cf. figure 6), à l’origine d’une méthode de surveillance des barrages situés au-dessus du TBG, durant la phase de creusement).

Cadre de référence planimétrique Au milieu des années 1970, un réseau de triangulatération (combinant des mesures de distances et de directions) était encore proposé pour la mensuration de base en surface du TBG [Gerber 1974]. Vingt ans plus tard, un canevas de base GPS de haute précision incluant des réseaux conventionnels (mesure de directions, de distances et d’angles verticaux) au niveau des portails ne souffrait plus aucune contestation. Les réseaux implantés autour des portails, au sein desquels des mesures extrêmement précises (azimuts astronomiques et déviations de la verticale) étaient réalisées en complément, servaient à transférer le positionnement, l’échelle et l’orientation du réseau de surface au cœur de la montagne en accusant les pertes de précision les plus réduites possibles. Réseau de base GPS En établissant le réseau national GPS MN95, swisstopo avait mis à disposition un cadre géodésique de référence moderne et d’une extrême précision dès le milieu des années 1990 (cf. ci-dessus), permettant un rattachement précis aux systèmes de référence globaux, tels qu’ils étaient alors utilisés en géodésie par satellites. Les liaisons mesurées avec la triangulation nationale de 1er et de 2ème ordre et avec le nivellement fédéral ont alors fait apparaître les déformations affectant les bases de mensuration existantes. Des points MN95 supplémentaires ont été implantés et mesurés par swiss-

Fig.1: portion du réseau MN95 avec nivellement national (RAN), points gravimétriques et astronomiques incluse dans le réseau de base du tunnel de base du Saint-Gothard. topo en 1995, en parfaite adéquation avec le concept et la mesure du réseau de base du TBG ainsi que du tronçon «Gothard Sud» (Bodio – Lugano) qui lui fait immédiatement suite. Ainsi, 8 points MN95 étaient disponibles au total pour le réseau de base d’AlpTransit : Altdorf, Amsteg, Oberalp, Disentis, Dalpe, Biasca, Bellinzone et Sonvico. Les six premiers ont été utilisés pour le TBG et les trois derniers pour le tronçon «Sud». La solution imaginée pour le réseau de base prévoyait l’établissement du lien avec la nouvelle mensuration MN95 via ces points de référence. Par ailleurs, des points de triangulation locaux ont été inclus aux mesures effectuées autour de chacun des portails et des points d’attaque intermédiaires. Ces points permettaient le rattachement à la mensuration nationale MN95 et à la mensuration officielle. En mai 1996, le groupe de coordination «Mensuration AlpTransit» décida,

AlpTransit Gotthard

Fig. 2: point fixe MN95 de Biasca. sous réserve de clarifications encore à réaliser, que les mensurations requises pour le projet AlpTransit devaient s’effectuer dans le cadre de référence MN95. Durant la même année, en collaboration étroite avec les CFF et le canton d’Uri et en combinaison avec le projet MO93 REMO Subito, swisstopo effectua donc des tests dans la plaine de la Reuss entre Altdorf et Amsteg, portant sur le passage de données géoréférencées de MN03 en MN95 et le maillage triangulaire optimal pour la méthode de transformation FINELTRA. Les observations GPS pour le tunnel de base du Saint-Gothard et le tronçon Gothard Sud furent réalisées sur deux jours dans les deux cas (en novembre 1995 et en janvier 1996) par les consortiums Vermessung Gotthard-Basistunnel (VI-GBT) et Geodetico Sud (COGESUD). Des points du réseau MN95 ont par ailleurs été stationnés en permanence pendant toute la durée des mesures du réseau de base du TBG afin de lui assurer un positionnement optimal. Une comparaison avec les coordonnées du réseau national GPS MN95 a fait apparaître des différences maximales (résidus d’une transformation de Helmert) de 5 mm [Haag et al. 1996]. Lors d’une répétition des mesures effectuée en 2005, les écarts constatés se situaient eux aussi dans une fourchette de 2 à 6 mm [Schätti et Ryf 2007]. Toutefois, si les points MN95 ont contribué à accroître la préci-

sion du réseau de base, elles en ont également augmenté la fiabilité, grâce au contrôle supplémentaire qu’elles ont constitué. Cet aspect revêt une importance toute particulière lors de l’implantation de tunnels. Positionnement en MN03 A l’issue des compensations combinées des mesures GPS et conventionnelles, un jeu de coordonnées d’une très grande précision interne (cm) était disponible. Il devait alors être positionné dans un cadre de référence bien défini. A la demande des deux consortiums de mensuration et avec l’appui d’une nouvelle évaluation conduite par le groupe de coordination «Mensuration AlpTransit», la direction du projet AlpTransit 1997 a finalement décidé, en 1997, que le TBG se fonderait sur un réseau local nommé «NetzGBT Lage». Ce canevas, composé de 31 points, et le réseau conçu pour le tronçon Gothard Sud, fort de 21 points, ont bien tiré profit de la précision élevée de MN95, mais ont été positionnés dans le cadre de référence de la mensuration nationale MN03 par des transformations, afin de minimiser les écarts sur les coordonnées planimétriques dans les zones de rattachement des portails et des points d’attaque intermédiaires. Les déformations existant entre Altdorf et Lugano en MN03 ont cependant imposé de recourir à deux

transformations différentes pour le GBT et le tronçon Gothard Sud, lesquelles se distinguent pour l’essentiel l’une de l’autre par un écart de 10 ppm au niveau de l’échelle. Les raisons suivantes ont été invoquées pour justifier le choix réalisé et donc l’abandon du cas de figure idéal du point de vue technique d’un positionnement en MN95, vierge de toute déformation (proposé par swisstopo): • les travaux de conception pour AlpTransit ont tous été réalisés en MN03 • les mensurations des lignes existantes des CFF (banque de données des installations fixes (DfA), installations ferroviaires et géométries des voies) étaient disponibles en MN03 • les mensurations cadastrales des communes concernées étaient disponibles en MN03 ; les décisions de la mensuration officielle pour le passage à MN95 étaient en suspens • le passage à MN95 s’accompagnait de surcoûts conséquents • la collaboration avec des partenaires extérieurs aurait été compliquée par le passage à MN95 (risque de confusion inhérent à l’existence en parallèle de MN95 et de MN03). On notera cependant qu’un choix différent a été réalisé au niveau du cadre de référence planimétrique pour l’implantation du tunnel de base du Lötschberg (BLS AlpTransit), puisqu’il a été intégralement implanté dans le nouveau cadre de référence de la mensuration nationale MN95 [Riesen et al. 2005]. Les deux solutions ont montré qu’elles pouvaient être mises en œuvre avec succès, dès lors que le choix effectué trouvait une traduction logique, systématique et rigoureuse dans les faits.

Champ de pesanteur Le champ de pesanteur terrestre influe sur presque toutes les mesures géodésiques et doit impérativement être pris en compte dans le cas d’un projet d’une ampleur telle que le TBG. Il est aussi bien question ici de la correction des cotes ellipsoïdiques déterminée avec le GPS par la cote du géoïde, de l’orientation du réseau au moyen d’azimuts astronomiques, de la 43

AlpTransit Gotthard

Fig. 3: modèle du géoïde CHGeo98.

correction des mesures terrestres (notamment les mesures gyroscopiques) de l’influence de la déviation de la verticale que de la correction l’influence de la pesanteur sur les altitudes issues du nivellement (correction orthométrique, cf. paragraphe suivant). Au début de la construction du TBG, le modèle du géoïde CHGeo98 était d’actualité. Il se basait pour l’essentiel sur des mesures de la déviation de la verticale, mais aussi sur des données GPS et de nivellement [Marti, 1997]. Toutefois, ce modèle ne constitue pas une simple surface de référence pour la détermination des altitudes, il s’agit d’un véritable modèle en trois dimensions, permettant l’interpolation de valeurs gravimétriques et de déviations de la verticale en tout point situé aussi bien sur la surface terrestre qu’à sa proximité. En 2004, CHGeo98 a été remplacé par un modèle réactualisé intitulé CHGeo2004. Il se base plus fortement sur le GPS et le nivellement mais continue à s’appuyer sur des mesures de la déviation de la verticale et prend également des mesures gravimétriques en compte. Le modèle CHGeo98 a toutefois été utilisé jus44

qu’au terme de la construction du GBT (cf. figure 3). La qualité de CHGeo98 suscitait pourtant des inquiétudes au début du projet: étaitelle suffisante pour permettre le respect des tolérances prescrites lors de la construction et du percement ? Des mesures et des études supplémentaires ont donc été réalisées. L’une de ces études [Marti 2002] portait sur le fait de savoir si un modèle de densité plus fin que celui de CHGeo98 devait être utilisé pour le TBG en vue d’atteindre la précision requise pour les déviations de la verticale et la correction orthométrique. Comme CHGeo98 s’appuyait uniquement sur des mesures de surface et un modèle de densité très rudimentaire, il n’était pas certain que ce modèle puisse être utilisé sans rencontrer de difficultés durant la construction du tunnel. C’est pourquoi un modèle de densité tridimensionnel local a été bâti à partir des profils géologiques existants et son influence sur la déviation de la verticale, la pesanteur et la correction orthométrique a été calculée. Des écarts atteignant 0,5 mgon sur les composantes de la déviation de la verticale ont été notés par rapport au modèle standard de CHGeo98. Ils ont surtout été constatés aux limites entre des couches géologiques de densités très différentes. Les écarts observés sont toutefois à la limite d’être significatifs pour la correction de mesures gyroscopiques de sorte qu’il a pu en être conclu que le modèle standard pouvait être utilisé et qu’il fallait si possible éviter de procéder aux mesures gyroscopiques au niveau de transitions géologiques. Concernant la pesanteur, l’utilisation du modèle de densité a fait apparaître des écarts atteignant jusqu’à 6 mgal par rapport à CHGeo98. L’influence maximale résultante sur les corrections orthométriques n’était cependant que de 2 mm environ. En conséquence, le modèle standard avec une densité homogène était parfaitement suffisant pour la correction des altitudes. Cette étude a donc démontré que les modèles de masses de CHGeo98 étaient suffisants pour la construction du TBG et qu’aucun modèle de densité supplémentaire, plus fin, ne

Fig. 4: mesure gravimétrique dans le tunnel. s’avérait nécessaire. L’étude n’a cependant pas apporté de réponse à la question de savoir si des mesures gravimétriques devaient être réalisées dans le tunnel ou si les valeurs mesurées en surface et extrapolées dans les galeries du tunnel pouvaient se révéler suffisantes pour la correction altimétrique. Pour en avoir le cœur net, des mesures gravimétriques ont été effectuées en 2005 en collaboration avec l’Institut de géophysique de l’université de Lausanne sur un très petit nombre de points situés aux abords des portails et dans la portion du tunnel alors accessible. Elles ont ensuite été comparées aux valeurs interpolées à partir de CHGeo98 (cf. figure 1 et figure 4). Les écarts déplorés à cette occasion n’ont pas dépassé 3 mgal, ce qui est négligeable pour le calcul de la correction orthométrique. Il a donc été établi qu’aucun relevé gravimétrique systématique n’était nécessaire pour le TBG et que CHGeo98 livrait des valeurs gravimétriques interpolées suffisamment précises. Ces investigations sont décrites en détail dans le rapport swisstopo-Report 05-34 [Bürki et al., 2005]. Pour les déviations de la verticale et les azimuts astronomiques, il fallut également vérifier, de façon similaire à ce qui a été fait pour les mesures gravimétriques, que les valeurs calculées à partir de CHGeo98 étaient suffisantes, faute de quoi des mesures supplémentaires étaient nécessaires. Des mesures astrogéodésiques ont donc été effectuées durant

AlpTransit Gotthard

l’été 2005 par l’ETH Zurich et la TU Hanovre aux abords des portails et à proximité des autres galeries d’accès. Ces mesures et leur interprétation sont décrites dans un article séparé [Bürki et Guillaume, 2010] de la présente revue. Le principal résultat qu’elles ont fourni a été que les valeurs interpolées à partir de CHGeo98 étaient amplement suffisantes pour la construction du TBG et qu’aucune mesure supplémentaire n’était requise. Les diverses analyses menées, portant sur le champ de pesanteur, ont ainsi montré que le modèle du géoïde CHGeo98 de la mensuration nationale suisse livrait des résultats d’une qualité suffisante pour des projets de grande ampleur tels que le TBG, de sorte qu’aucune mesure supplémentaire coûteuse n’était nécessaire. Le modèle qui lui succéda, CHGeo2004, fut toutefois porteur d’améliorations, concernant notamment la cohérence des déterminations altimétriques par GPS et nivellement.

Réseau altimétrique de base Le nivellement fédéral comme élément principal Dans le rapport final portant sur le «réseau Gerber», le premier réseau primordial conçu pour un tunnel de base projeté dans le massif du Saint-Gothard en 1970, l’auteur se prononçait ainsi concernant les altitudes: L’altitude des deux portails et des deux puits d’attaque intermédiaires a été définie sur la base des nivellements de l’Office fédéral de topographie. … tout autre commentaire serait superflu, tant la précision des travaux réalisés dans ce domaine par l’Office fédéral de topographie, riche d’une grande expérience, est devenue légendaire et lui vaut une reconnaissance internationale [Gerber 1974]. Sur le fond, la première affirmation s’applique également au tunnel de base percé. Le présent paragraphe vise cependant à montrer que pour un projet comportant des exigences aussi fortes, des concepts affûtés, des mesures et des calculs en plus

grand nombre sont plus importants qu’une immodeste couronne de lauriers. Le réseau altimétrique de base du TBG se fonde effectivement sur les mesures du nivellement fédéral (il s’appuie même fortement sur les lignes évoquées dans [Gerber 1974] issues des années 1970 à 1973) et sur le calcul du nouveau réseau altimétrique national RAN95 (cf. figure 1). Des nivellements de précision supplémentaires d’une longueur d’à peine 30 km ont dû être mesurés en surface pour le percement du tunnel long de 57 km. Ils ont servi au rattachement des portails d’Erstfeld, Amsteg, Sedrun, Polmengo (Faido) et Bodio (Biasca) à des points stables du réseau altimétrique national (RAN). Toutes les mesures ultérieures, totalisant plusieurs centaines de kilomètres, ont été réalisées pour surveiller les tassements, compléter les réseaux des portails et procéder à des analyses tectoniques (cf. articles du présent numéro). Elles étaient sans influence directe sur le percement. Les altitudes dans l’espace alpin La détermination des altitudes par nivellement est une méthode notoirement simple. Le traitement géodésique des altitudes est en revanche considéré comme une nécessité d’ordre académique, qui est complexe et pesante. Une boucle de mesure «route du col – puits vertical – tunnel ferroviaire» présente toutefois des caractéristiques particulières. En résumé, pour les gens du métier: le long de la route du col, on obtient des altitudes de nivellement usuelles, qui ne sont ni chair ni poisson, dans le puits vertical il s’agit de

Portail

Altitude

cotes orthométriques et dans le tunnel à faible déclivité, ce sont des altitudes quasiment dynamiques. Pour les profanes maintenant, en prenant l’exemple du TBG: si le champ de la pesanteur n’est pas pris en compte, les mesures, même exemptes de toute erreur, ne permettent qu’une fermeture de la boucle de nivellement au niveau du décimètre. La marge de manœuvre est donc étroite si l’on veut respecter la tolérance de percement prescrite de 12,5 cm (2,5 σ), sachant que les erreurs de mesure accidentelles sont inévitables. RAN95 pour base L’idée de fonder la base altimétrique sur la nouvelle compensation du RAN qui n’en était qu’au stade du projet à cette époque reposait sur un accord conclu entre swisstopo et le consortium VI-GBT [Schneider et Haag 1995]. Elle entretenait un lien étroit avec la réalisation de la nouvelle mensuration nationale MN95 et notamment celle du nouveau réseau altimétrique national RAN95 [Schlatter et Marti 2007]. La même solution a été mise en œuvre avec succès pour la construction du tunnel de base du Lötschberg [Riesen et al. 2005]. Le RAN95 se base sur un système altimétrique orthométrique et a été concrétisé par une nouvelle compensation cinématique de toutes les mesures effectuées depuis 1903. Outre la réduction de l’influence exercée par le champ de pesanteur, les mouvements tectoniques («soulèvement alpin» atteignant jusqu’à 1,5 mm/an) ont aussi été pris en compte.

Long. TBG emq RAN95 RAN95 - NF02 NIVN - NF02 Soulèvmt

[m ü. M.]

[km]

[mm; 1σ]

[m]

[mm/a]

Erstfeld

460

± 0 (Réf.)

0 (Réf.)

0.67

Amsteg

510

±3

0.02

0.01

0.78

Sedrun

1410

±9

0.13

0.01

0.80

Faido

760

±7

0.11

0.05

1.25

Biasca

300

±8

0.11

0.09

1.22

Tab. 1: la précision de RAN95, la comparaison entre RAN95, les altitudes purement issues du nivellement (NIVN) et NF02 par rapport au portail d’Erstfeld ainsi que les vitesses verticales par rapport au point de référence d’Aarburg. 45

AlpTransit Gotthard

Le tableau 1 présente les différences entre RAN95 et les altitudes usuelles NF02 par rapport au portail d’Erstfeld ainsi que les vitesses verticales calculées. La colonne «NIVN – NF02» fournit en outre les écarts entre les résultats d’une compensation cinématique des différences de nivellement théoriques avec NF02.

Fig. 5: Corrections orthométriques a priori dans le tunnel à partir de cotes orthométriques aux portails. Les avantages suivants se sont révélés importants, au-delà du faible nombre de nouvelles mesures à effectuer pour la construction du GBT: • une précision élevée et une fiabilité améliorée • aucune influence perturbatrice du champ de la pesanteur sur les percements • aucune influence perturbatrice inhérente à l’utilisation de mesures prises à des époques différentes • capacité à être combinées avec des cotes ellipsoïdiques provenant de réseaux GPS et le géoïde de la Suisse CHGeo98. Un premier calcul provisoire de RAN95 réalisé en 1999 (incluant environ 6'800 km sur les 12'000 km de nivellement mesurés au total) a permis de livrer des cotes orthométriques et des vitesses verticales des points des portails au consortium VIGBT. Les erreurs moyennes relatives (1σ) par rapport au portail d’Erstfeld se montaient à ± 9 mm à Sedrun et à ± 8 mm à Biasca (cf. tableau 1). Ces précisions résultaient de la compensation globale des mesures (différences de potentiel), combinée à l’influence de la pesanteur moyenne, laquelle ne peut pas être calculée sans faire d’hypothèse. 46

NF02 comme cadre altimétrique du projet Les raisons expliquant l’écart de niveau décimétrique entre les altitudes officielles (NF02) et les cotes orthométriques ont été exposées dans [Schlatter et Marti 2005]. On ne citera ici que les trois causes principales pour le NF02: • l’absence de prise en compte de l’influence du champ de pesanteur (ou de types d’altitudes différents) • les mesures précises continuent à être contraintes en des points nodaux dont les altitudes remontent au «Nivellement de précision» des années 1864 à 1891 • les modifications récentes connues des altitudes ne sont pas prises en compte de ce fait. La direction du projet et le consortium VIGBT ont toutefois décidé de continuer à travailler dans le cadre NF02, l’ensemble des études du projet ainsi que les ouvrages connexes utilisant déjà ce cadre comme

référence [Haag et Stengele 1999]. La réalisation du tunnel de base du Lötschberg a toutefois montré qu’un autre choix était également possible, puisque RAN95 a été utilisé comme cadre altimétrique de ce projet. Si l’on veut contrebalancer les inconvénients et les défauts de NF02, il convient d’apporter les corrections suivantes aux altitudes transférées dans le tunnel au gré de l’avancement des travaux de percement: • l’influence du champ de la pesanteur dans le tunnel (corrections orthométriques ou fermetures théoriques des boucles) • l’influence de la différence RAN95 / NF02 (cf. tableau 1) • l’influence des rythmes de soulèvement différents (cf. tableau 1) dont l’ampleur totale dépasse à peine 1 cm en théorie dans les 10 à 20 ans que dureront la construction. Corrections orthométriques Même si le tunnel avait été implanté sur la base d’altitudes RAN95, les nivellements accompagnant la progression des travaux auraient dû être corrigés de l’influence du champ de la pesanteur ou la fermeture de boucle à craindre aurait au moins dû être prise en compte. En s’appuyant sur les modèles de terrain et de

Fig. 6: tassements observés au col du Saint-Gothard, dus à la construction du tunnel routier [Schlatter 2007].

AlpTransit Gotthard

densité existants, déjà utilisés pour la détermination du géoïde, swisstopo a calculé des corrections orthométriques a priori pour le consortium VI-GBT à l’aide des coordonnées du projet. La figure 5 en montre le profil pour l’exemple de la jonction Amsteg ⇔ Sedrun Nord. Il est frappant de constater que le puits vertical n’exerce aucune influence directe; la distance verticale correspond quasiment à une dénivelée orthométrique. L’erreur produite à la jonction en l’absence de prise en compte de cette correction s’élèverait tout de même à 3,8 cm. Remarques et conclusion Il est rétrospectivement remarquable et tout à l’honneur des responsables de l’époque, d’avoir pu établir une base altimétrique solide pour la construction du TBG en ne procédant qu’à 30 km de nouvelles mesures de nivellement. Quelques remarques encore, à titre de complément • Peu importe que tel ou tel cadre altimétrique ait été utilisé pour le percement des tunnels ferroviaires à travers les Alpes. Les deux projets du Saint-Gothard et du Lötschberg l’ont clairement démontré. Le succès n’aurait cependant pas été au rendez-vous si le cadre RAN95 plus précis n’avait pas été connu. • Il est bien plus important, en revanche, de traiter les différentes corrections ainsi que les avantages et les inconvénients propres au cadre retenu avec clairvoyance. Les géomètres des deux projets ont parfaitement su maîtriser ces obstacles bien plus redoutables. • Ce ne sont pas toujours les capteurs les plus récents qui nous fournissent les meilleurs résultats (cf. [Riesen et al. 2005]). Parfois, des mesures vieilles de plus de 30 ans font très bien l’affaire. • Si l’influence du soulèvement alpin sur la base altimétrique est indéniablement intéressante, elle pèse toutefois peu dans la perspective de la jonction. Sur le périmètre du projet TBG, le rythme des soulèvements se fonde essentiellement sur la comparaison entre deux époques de mesure (env. 1920 / 1970). Des tassements bien plus importants

ont été découverts en 1997 par swisstopo dans le secteur du Saint-Gothard (cf. figure 6 et [Geiger et al. dans le présent numéro]), de manière presque fortuite. Avec le recul du temps, on s’aperçoit donc que les zones des portails couraient le risque d’être affectées par des influences inconnues. • Quiconque affirme aujourd’hui (ou l’aurait fait il y a 15 ans), que les mesures GNSS remplacent complètement les mesures de nivellement lourdes à mettre en oeuvre, se trompe totalement. On oublie trop facilement que les modèles de géoïde, tout aussi indispensables, ne sont pas réalisables actuellement sans les informations livrées par RAN95, dès lors que l’on souhaite atteindre un certain niveau de précision. Qu’il ne soit donc pas question d’indépendance ici. Les louanges qui ont suivi la réussite de chacune des différentes jonctions doivent indubitablement s’adresser aux géomètres qui ont inlassablement poursuivi l’objectif qui leur était assigné dans les conditions difficiles, parfois même pénibles, rencontrées dans le tunnel. Leurs efforts auraient toutefois été vains s’ils n’avaient pas disposé de valeurs initiales de qualité en chacun des portails. Ainsi, AlpTransit a également constitué un défi de taille pour les responsables de la mensuration nationale.

Bibliographie: Bürki B., M. Ganz, Ch. Hirt, U. Marti, A. Müller, P.V. Radogna, A. Schlatter, A. Wiget (2005): Astrogeodätische und gravimetrische Zusatzmessungen für den Gotthard-Basistunnel. swisstopo-Report 05–34.

sistunnel». VDI Berichte 1454, VDI-Gesellschaft Bautechnik. Marti U. (1997): Geoid der Schweiz 1997. Travaux géodésiques et géophysiques exécutés en Suisse, volume 56. CGS 1997. Marti U. (2002): Alptransit Gotthard Basistunnel: Schwerefeldstudie. Rapport technique 0136 ; Office fédéral de topographie. Riesen H.-U., B. Schweizer, A. Schlatter, A. Wiget (2005): Tunnelvermessung des BLS-AlpTransit Lötschberg-Basistunnels. Géomatique Suisse 11/2005. Schätti I. et A. Ryf (2007) : AlpTransit GotthardBasistunnel: Grundlagenvermessung, letzte Kontrollen vor dem ersten Durchlag. Ingenieurvermessung 2007, Graz. Schlatter A. (2007): Das neue Landeshöhennetz der Schweiz. Travaux géodésiques et géophysiques exécutés en Suisse, volume 72. CGS 2007. Schlatter A. et U. Marti (2005): Höhentransformation zwischen LHN95 und den Gebrauchshöhen LN02. Géomatique Suisse 8/2005. Schlatter A. et U. Marti (2007): Aufbau der neuen Landesvermessung der Schweiz 'LV95'. Teil 12: Landeshöhennetz 'LHN95'. swisstopo Doku n° 20. Schneider D. et R. Haag (1995): AlpTransit Gotthard Basistunnel: Höhengrundlagennetz auf der Basis des Landesnivellements. Rapport technique 95–22, Office fédéral de topographie. Schneider D, U. Marti et A. Wiget (1996): Die neue Landesvermessung der Schweiz LV95 als Grundlage für die Vermessung der neuen Eisenbahn-Alpentransversen «AlpTransit». Beiträge zum XII. Internationalen Kurs für Ingenieurvermessung, Graz. Signer T. (2002): Landesvermessung LV95: Übersicht und Stand des Projektes. Mensuration, Photogrammétrie et Génie rural 1/2002.

Gerber P. (1974): Das Durchschlagsnetz zur Gotthard-Basislinie. Mitteilungen aus dem Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der ETHZ Nr. 17 Haag R., A. Ryf et R. Stengele (1996): Grundlagennetze für extrem lange Tunnel am Beispiel des Gotthard-Basistunnels. Beiträge zum XII. Internationalen Kurs für Ingenieurvermessung, Graz. Haag R. et R. Stengele (1999): Vermessungstechnische Grundlagen und Herausforderungen beim Projekt «AlpTransit – Gotthard Ba-

Adrian Wiget Dr Urs Marti Dr Andreas Schlatter Domaine Géodésie Office fédéral de topographie swisstopo Seftigenstr. 264 CH-3084 Wabern adrian.wiget@swisstopo.ch 47

AlpTransit Gotthard

La mensuration de la technique ferroviaire au tunnel de base du Gothard Le percement principal du Gothard, en octobre 2010, constitua le franchissement d’une étape très importante. Dans le même mois, un peu à l’écart des gros projecteurs, les premiers mètres de la voie sur dalle furent bétonnés sur le tronçon Bodio – Faido. La construction industrielle de la voie est le processus central du lot technique ferroviaire qui, sur le plan de la logistique, de la construction et de la technique de mensuration, doit répondre aux exigences les plus élevées. Un jour, la voie ferrée aura été installée au millimètre près dans les deux tubes sur plus de cent kilomètres afin de garantir la sécurité des trains à grande vitesse dans le tunnel.

D. Stähli, M. Baumeler, Th. Silbermann En octobre 2010, après de longues années de construction, les personnes impliquées et le monde politique ont fêté le percement principal du tunnel de base du Gothard. La phase suivante de la construction, à savoir l’installation de la technique ferroviaire, a débuté même avant cet évènement important. L'installation de l'infrastructure ferroviaire complète dans le tube ouest de la section du tunnel entre Bodio et Faido mesurant 16 km progresse rapidement depuis l’été 2010. La phase d’essai est planifiée à partir de 2013, l’objectif principal étant de vérifier la fiabilité du système global et de discuter des possibilités d’amélioration. L’installation de l’infrastructure ferroviaire des environ 100 km restants a débuté en 2012 en prenant en compte les connaissances acquises dans cette première section. La technique ferroviaire contient tous les éléments techniques nécessaires pour permettre aux trains de traverser le futur tunnel de base en toute sécurité. Ces éléments comprennent principalement la voie et la caténaire, mais également la technique de contrôle, l’aération, l’éclairage, la signalisation, la technologie de sécurité, la mise à terre la communication, 48

l’approvisionnement en énergie pour le trafic ferroviaire ainsi que pour tous les équipements techniques. Pour mieux illustrer l’ampleur de ces tâches, il est utile de considérer les données suivantes: dans les deux tubes séparés totalisant une longueur de 117 000 m y compris les quatre aiguillages, environ 119 000 m3 de béton seront coulés et 234 000 m de voies ferrées seront posées durant les prochaines années. De plus, 180 galeries transversales seront équipées de la technologie de contrôle et de sécurité la plus moderne et reliées par plusieurs centaines de kilomètres de câbles de la dernière génération pour permettre aux trains de traverser le tunnel à des vitesses différentes dans le futur.

tel-Lucent/Thales et Alpiq, des sousgroupes de travail ont été formés, qui traitent tous les domaines spécialisées tels que la caténaire, la ligne ferroviaire, la construction de câbles, la technologie de contrôle et de sécurité. Cet article apporte des précisions au sujet de l’installation de la voie qui est effectuée par ALPINE Bau GmbH en association avec Balfour Beatty Rail GmbH. Le paquet de prestations de la voie ferrée contient également la construction d’environ 20 km de voies ballastées au sud, de 16 km de voie ballastée au nord et de 27 aiguillages. La construction des voies ballastées au Tessin, effectuée par l’entreprise suisse de construction de voies ferrée Scheuchzer, est pratiquement terminée. L’entreprise Grunder Ingenieure AG de Burgdorf est responsable des travaux de mensuration de tous les paquets de prestations de la Transtec Gotthard.

Exigences Contrairement aux lignes ouvertes, les exigences logistiques dans un tunnel sont beaucoup plus élevées, car il n’existe aucune possibilité de déviation. Les proces-

Organisation de la technique ferroviaire Les exigences précitées exigent des compétences spécialisées dans les divers domaines techniques. La division des tâches en plusieurs paquets de prestations a tenu compte de ce fait. Dès lors, quatre entreprises solides et disposant d’une bonne expérience sur le plan international ont fondé un consortium nommé «Transtec Gotthard ». A l’intérieur de ce consortium comprenant les entreprises ALPINE Bau GmbH, Balfour Beatty Rail GmbH, Alca-

Fig. 1: Ligne ferroviaire d’entraînement sur le site d’installation de Biasca.

AlpTransit Gotthard

Fig. 2: Ajustement fin de la voie d’entraînement. sus séparables sont dès lors échelonnés pour maintenir une productivité efficace et pour minimiser le potentiel d’interférence dans le déroulement des travaux. La production industrielle des voies est au centre des activités de la technique ferroviaire. Les processus de construction et de mensuration sont ici étroitement liés et doivent être coordonnés de manière très détaillée afin de garantir une avancée optimale des travaux et de respecter les conditions nécessaires à la mensuration (par exemple l’absence de vibrations). Le moment de l’installation des voies demande le plus grand effort logistique dans le tunnel. Au préalable, tous les câbles sont posés dans les conduits prévus à cet effet à l’aide de véhicules spéciaux. L’installation de la voie elle-même suit immédiatement après et, à partir de ce moment, le travail, et particulièrement la mensuration, est entièrement effectué à partir de véhicules sur rails.

Processus de construction de la voie sans ballast Avant le début de travaux d‘installation, une ligne ferroviaire d’entraînement et de test d’une longueur de 250m a été construite sur le site d’installation situé à l’extérieur du portail sud. Cette voie per-

mettait de tester les machines prévues pour l’installation des voies et d’expérimenter le fonctionnement des techniques de mensuration choisies. La construction de la voie dans le tunnel du Gothard s’effectuera par sections d’une longueur de 16 à 20 m. Deux tiers des travaux se feront depuis le nord à partir du site d’installation d’Erstfeld et le reste depuis le site d’installation de Biasca au Tessin. LA construction s’effectue en six étapes sur une longueur maximale de 2160 m. Ce chiffre curieux s’explique par la dimension des rails longs, qui mesurent 120 m. Une étape de construction demande environ 20 jours de travail durant lesquels la superstructure complète est installée. Lorsqu’une étape de construction est terminée, la suivante débute immédiatement le lendemain. Pour le premier secteur, environ 8 étapes de construction sont prévues jusqu’en mars 2011. Les travaux débutent avec le transport des rails dans le tunnel. Ils sont ensuite posés sur les supports de voie et soudés. Le lendemain, les blochets indépendants LVT sont posés sur la longueur totale de l’intervalle de construction entre les rails avec l’aide d’un véhicule spécial conçu pour cette tâche. En même temps, tous les autres matériaux nécessaires ont amenés dans le tunnel, pré-triés et distribués. Le

montage sur support des panneaux de voie est ensuite effectué à l’aide s’un système de support spécialement développé pour le projet. Les précisions requises sont de ± 15 mm en position et de –10 mm en hauteur. Les rails de la voie sans ballast sont ensuite grossièrement ajustés à l’aide d’un chariot de mesure avec une précision de 0 à ±3 mm (position) et de –3 mm (hauteur). Cette précision est suffisante pour effectuer tous les autres travaux liés à l’installation des rails. Lorsque tous les travaux de construction des voies sont terminés et juste avant le bétonnage, l’ajustement fin des voies est effectué avec une précision se situant dans le domaine submillimétrique. Une fois l’ajustement terminé, on procède au bétonnage le 7ème jour de chaque cycle de travail de 20 jours. Afin de pouvoir réaliser l’installation d’environ 200 m par journée de bétonnage un train de bétonnage mesurant 480 m a été spécialement conçu pour le tunnel de base du Gothard. Il arrive dans le tunnel chargé des ingrédients nécessaires et, une fois positionné à l’emplacement de l’installation, fabrique le mélange du béton. Un système de transports se déplaçant le long des banquettes amène le béton jusqu’au point de coulée, où il est placé dans

Fig. 3: Train de bétonnage en route vers le portail de Bodio. 49

AlpTransit Gotthard

Fig. 4: Surélévation de la voie dans le secteur Bodio – Faido West.

des erreurs pour atteindre les meilleurs résultats possibles. Un contrôle permanent et la documentation des tous les travaux de mensuration font partie intégrante de la gestion de qualité. Les protocoles d’ajustement avant le bétonnage et les résultats des mesures de contrôle après la pose des rails font partie de cette gestion de qualité. Tous les processus d’ajustement sont effectués avec le système de mesure des voies de la société Intermetric GmbH. Outre les mesures d’écartement et de dévers des voies de haute précision, ce système est équipé d’un faisceau laser fixe pour mesurer la hauteur et la position transversale des voies. Des stations totales Leica T30 sont positionnées en station libre pour mesurer le début et la fin de ce faisceau en utilisant huit points de référence. Le faisceau laser est ensuite dirigé sur une plaque de mire active pour calculer la position des voies. Les différences entre les valeurs mesurées et les valeurs désirées sont affichés à l’écran et peuvent être corrigées à l’aide du système d’ajustement. Ce processus permet d’obtenir une plus grande précision intérieure de la voie ajustée qu’avec des systèmes utilisant uniquement des tachéomètres. L’expérience

Travaux de mensuration

L’ajustement des rails à l’aide du chariot de mesure s’effectue en deux passages. Les précisions requises sont très élevées et se situent dans le domaine de quelques dixièmes de millimètres. De ce fait, on utilise uniquement les dispositifs de mesure les plus précis actuellement disponibles. Toutes les étapes du processus sont optimisées en utilisant la loi de propagation

Les travaux de mensuration suivants étaient à effectuer dans le cadre de la technique ferroviaire: après réception et vérification des donnés du projet telles que les axes et les points de référence des voies, la première étape consiste à contrôler le tunnel vide pour vérifier si les tolérances en position et hauteur du sol et des banquettes ont été respectées. Ces informations sont essentielles pour garantir le bon déroulement des travaux d’installation des voies. Dans la phase suivante, des points auxiliaires sont implantés tous les 20 m sur les banquettes. Ces points sont utilisés comme référence lors du montage des rails permettant à l’équipe responsable de les poser avec les précisons requises sans devoir recourir aux services d’un géomètre. Durant ce processus, l’inclinaison des voies est ajustée et les blochets de voie sont montés à une distance correcte.

Fig. 5: Schéma de fonctionnement du chariot de mesure des voies.

la zone de bétonnage à l’aide de machines spéciales. Les travaux de bétonnage durent 10 à 11 jours et sont suivis de divers travaux de finition. Cette phase est terminée après 20 jours, et une nouvelle phase peut être commencée.

AlpTransit Gotthard

sont envoyés à banque de données pour les installations fixes (DfA) des CFF. Actuellement, nous nous trouvons dans la phase initiale très intéressante de la construction des voies. Les premiers cent mètres ont été posés et plus de cent kilomètres doivent encore être construits. Il est pour nous une grande satisfaction de pouvoir participer à ce projet intéressant et de pouvoir apporter notre contribution à sa réalisation.

Daniel Stähli dipl. Kulturing. ETH Grunder Ingenieure AG Bernstrasse 21 CH-3400 Burgdorf daniel.staehli@grunder.ch Fig. 6: Ecran des mesures du chariot de mesures des voies. a démontré que ce système permet d’atteindre les rendements journaliers qualitatifs et quantitatifs. Après la pose des voies, des implantations sont effectuées pour les autres installations ferroviaires. L’implantation des points de suspension des supports du tunnel est effectuée depuis une plateforme de levage. Ils incluent les suspensions des câbles, les balises, la signalisation et les panneaux d’affichage des signaux principaux. Tous ces travaux

sont effectués entre les portails et le point les plus avancé de la construction des rails, ce qui signifie que les trains de bétonnage traversent le tunnel tous les jours pour atteindre la pointe du chantier. Tous les travaux d’implantation doivent être coordonnés, même s’ils ont lieu loin du site de construction de la voie. Après la fin des travaux d’installation, des mesures de contrôle sont effectuées sur toutes les installations du système du tunnel de base du Gothard et les résultats

Martin Baumeler dipl. Ing. ETH Grunder Ingenieure AG Bernstrasse 21 CH-3400 Burgdorf martin.baumeler@grunder.ch Dipl. Ing. Thomas Silbermann Leitung Ausführung ARGE Fahrbahn Transtec Gotthard Alpine Bau GmbH Hansmatt 32 CH-6370 Stans thomas.silbermann@afttg.ch

AlpTransit Gotthard

L’insécurité de mesure des relevés au gyroscope dans le tunnel de base du Gothard Pour de grands projets de construction de tunnels tels que le tunnel de base du Gothard, les mesures au gyroscope font partie intégrante et indispensable des mesures géodésiques. Dans cet article, on évoquera la propagation défavorable des erreurs dans des polygonales tendues par rapport à celles mesurées au gyroscope. Nous parlerons également des grandeurs systématiques influant sur ces mesures d’oriention et ferons un résumé sur les mesures gyroscopiques exécutées dans le tunnel de base avec une appréciation représentative de l’insécurité de mesure atteinte dans ce contexte. Il a été démontré que ces mesures n’ont pas seulement contribué à augmenter la précision souhaitée, mais également à la découverte de déviations systématiques de mesures telles que la réfraction horizontale.

H. Heister, W. Liebl Les mesures au gyroscope sont actuellement un élément indispensable des mesures géodésiques dans de grands projets de construction de tunnels pour permettre le contrôle de l’excavation. Ceci est dû au fait, d’une part, que les mesures tachymétriques propagent des erreurs aléatoires ou systématiques dues à la configuration de mesure qui est inévitablement allongée et d’autre part, que les erreurs de mesure systématiques, particulièrement la réfraction horizontale, ne peuvent pratiquement pas être compensées par des changements des dispositions de mesures. Même si de nombreux articles ont souligné dans le passé l’importance des réglages dans les mesures gyroscopiques, nous allons relever ici quelques différences dans la propagation des erreurs à titre d’exemple. Pour une polygonale connecté d’un côté et tendue n, avec une longueur de côté égale d et une longueur totale L, la formule suivante est valable pour l’incertitude statistique de l’écart de route: ,

dans laquelle sw est la déviation standard de la mesure d’angle. En conséquence, pour une polygonale gyroscopique dans laquelle chaque côté a été orienté par mesure gyroscopique avec une déviation standard, la formule devient: . Dans l’illustration suivante 1, les erreurs transversales statistiques ont été représentés graphiquement pour le cas spécial, mais typique, d’une longueur de côté égale de d = 250 m pour des longueurs de tracé polygonal différentes. Il est important de souligner que seules des écarts aléatoires ont été supposées comme écart type pour les mesures de direction et les mesures gyroscopiques. Dès lors, la probabilité à attribuer aux valeurs statistiques déterminées par les formules mentionnées plus haut n’est que de p=68%. Les valeurs pour d’autres probabilités de p=95% et de p=99% figurent également sur le graphique, la dernière valeur étant particulièrement importante du fait que l’intervalle ± q déterminée dans ce cas peut être assimilée à une tolérance de mesure. En conclusion, les graphiques démontrent que les deux procédés de mesure se différencient jusqu’à un facteur 20 dans l’er-

reur transversale attendue. Il en ressort que, même lors d’écarts aléatoires dans les mesures des angles de la polygonale, les tolérances de mesure ne peuvent pas être respectées dans les constructions de tunnels plus longs Un appui par de mesures gyroscopiques devient donc indispensable pour optimiser la précision et la fiabilité. Pour diverses raisons, il n’est pas possible d’orienter de manière indépendante chaque coté de polygone par des mesures gyroscopiques. Dès lors, la question de savoir à quelle fréquence et à quels endroits des mesures gyroscopiques doivent être effectuées se pose. On ne peut y répondre que par rapport à des projets concrets. Il existe cependant des réflexions théoriques à ce sujet qui peuvent servir d’aide à la décision. Halmos, 1972, propose la solution suivante pour ce problème d’optimisation: En principe, la solution optimale ne peut être trouvée que si les mesures d’orientation sont réparties de manière symétrique sur la longueur totale L. Il en résulte la règle générale suivante pour les domaines d’une polygonale libre, dans lesquels une mesure gyroscopique doit être effectuée, si on désigne par z le nombre de mesures d’orientation planifiées:

Si z=1, à savoir qu’une seule mesure gyroscopique est prévue, ce secteur se situe à L/2, donc au milieu de la polygonale; pour z=2, les secteurs se situent entre 1/4 L et 3/4 L ; pour z=3, ce sont les secteurs 1/6 L, ½ L et 5/6 L etc. Il est possible de réduire la valeur qw d’une polygonale lancée de moitié avec une seule mesure gyroscopique du dernier côté de la polygonale (avant la tête de forage). Si une mesure supplémentaire est effectuée au milieu, l’erreur transversale est alors réduite d’un facteur de 0.5 sur n, si l’on effectue deux mesures gyroscopiques symétriques, le facteur est alors de 1/9 (Jordan, Eggert, Kneissl, 1967, S.582). Il est ainsi possible, au moyen de quelques mesures gyroscopiques précises de réduire considérable-

AlpTransit Gotthard

ment l’erreur transversale statistique, qui a elle-même une probabilité de p=99% de se situer dans la tolérance prescrite. Ces réflexions et conclusions ne sont pas nouvelles et se basent uniquement sur une observation des erreurs de mesure à craindre et des déviations standard sw et sk. Le point principal des développements à suivre est donc le fait que les paramètres d’influence systématiques des instruments, mais aussi de l’environnement soient réels et puissent être pris en compte dans le calcul précision.

Le concept de l’insécurité des mesures Depuis quelques année, le concept de l’insécurité des mesures, selon le «Guide to the expression of uncertainty in measurement» (GUM) (BIMP, 2008) fait son chemin. La définition du concept de l’insécurité des mesures est que les mesures, même après avoir tenu compte de toutes les erreurs systématiques connues, sont encore une estimation de la valeur à mesurer. Celle-ci est empreinte d’une insécurité, qui provient de différences aléatoires des mesures et de rectifications imparfaites des résultats par rapport aux paramètres d’influence systématiques. Si l’on avait tenu compte, pour les observations effectuées et dans le but de déterminer les erreurs transversales à craindre uniquement des différences aléatoires de mesures, alors l’on aurait pu intégrer également dans ce concept des différences systématiques de mesures. La détermination quantitative de l’insécurité des mesures se compose principalement de plusieurs facteurs. Le GUM différencie deux catégories: A: Facteurs qui sont calculés avec des méthodes statistiques. B: Facteurs qui sont calculés avec d’autres méthodes. Les composantes de la catégorie A sont données par la déviation standard empirique ainsi que leur degré de liberté vi. Les méthodes de calcul (loi de propagation des erreurs, méthodes des moindres carrés) ainsi que leur résultats et analyse

Querabweichung qw qw

Querabweichung qk qk

Fig. 1: Ecart de route statistique qw et qx sur des polygonales tendues, sans et avec mesures gyroscopiques. des corrélations sont connus des géodètes. L’incertitude déterminée uAi = si est également appelée incertitude standard. Les composantes de la catégorie B sont considérées comme des approximations de déviations standard. Il faut les décrire par les valeurs uBi. Cette méthode n’est malheureusement que peu utilisée jusqu’à présent lors de mesures géodésiques. Nous avons toutefois ici la possibilité d’estimer pour la première fois une insécurité des mesures. Pour cela, il faut que toutes les informations connues – en particulier celles obtenues par des mesures sur plusieurs années – interviennent au-delà de la variabilité. Toutes les incertitudes standard qui peuvent être appliquées d’une telle manière à une valeur mesurée peuvent être développées grâce à la loi de propagation des incertitudes comme les déviations standard de façon quadratique en incertitudes standard combinées uc

L’incertitude des mesures u respectivement uc est toujours donnée comme unité de propagation sans signe (toujours positive) en même temps que la valeur mesurée. En règle générale, cette indication sur la précision est suffisante. Dans certains cas, comme par exemple dans la construction de tunnels, ou un degré de confiance élevé est nécessaire, il est indispensable d’indiquer une plage d’incertitude. L’on propose ainsi grâce à un facteur d’élargissement k une incertitude de mesure étendue. U = k uc L’on choisit souvent k = 2, ce qui conduit é un intervalle ± U (valeur toujours avec un signe) et qui correspond à un intervalle de confiance statistique de 95%. La description de toutes les valeurs d’influence requiert une connaissance approfondie des processus de mesures de l’instrument, de la conception de processus de mesure et enfin de l’influence du mi-

AlpTransit Gotthard

lieu des mesures. Attendu que les procédés statistiques classiques n’offrent aucune solution pour la quantification des indications de précision, les processus pour l’estimation de l’insécurité des mesures (du type B) sont nécessaires. Ceux-ci sont même indispensables lorsque la redondance des mesures est faible et la répartition uniforme présente une variance importante. Le GUM prévoit plusieurs approches, par exemple des valeurs de départ de répartition et probabilité différents, par exemple: • Répartition normale, avec une probabilité de 50%, 68% et 100% • Répartition symétrique avec un intervalle a– à a+, symétrique ou pas par rapport à la valeur estimée xi de la valeur d’entrée • Répartition en trapèze • autres Ce petit exposé sur la spécification et la détermination de l’insécurité des mesures a pour but de préciser le concept et l’approche de la problématique de la mensuration en tunnel et plus précisément des mesures gyroscopiques, sans pour autant dépeindre un environnement théorique complet. Une analyse complète pour la représentation et le calcul des différentes répartitions et éléments statistiques, ainsi que des insécurités standard qui en résultent sont consultables chez Heister, 2005a et 2005 b, ainsi que BIPM (GUM), 2008.

tomatisation et a été développé durant une longue période, il subsiste encore quelques facteurs d’influence susceptibles d’occasionner des différences dans les mesures. Elles peuvent être partiellement compensées ou être prises en compte dans le budget de précision. En général, il faut distinguer les composantes d’insécurité en • Composantes liées aux instruments • Composantes liées à la réduction des mesures • Facteurs d’influence du milieu Il n’est pas possible d’analyser toutes ces influences dans le présent article – consulter à ce sujet la littérature suivante: par exemple Halmos, 1971, Heister et autres. 1990, Heister, 1992, Korritke, 1997, Grillmayer, 2003 – Il est ainsi possible de décrire brièvement les facteurs d’influence suivants: Instabilité du calibrage Bien que le théodolite gyroscopiques soit un système de mesure absolu, il est possible, grâce à la constante de l’instrument, la valeur de calibration E, d’établir la relation numérique entre le système de lecture du gyroscope et le «zéro» du théodolite qui est accouplé.

Cette valeur peut être modifiée par le montage, le transport, des chocs ou l’âge. Il est donc nécessaire de la déterminer à nouveau régulièrement. Les possibilités de modifications doivent en outre être prises en compte dans le concept des mesures. La Fig. 2 ci-après montre les modifications du calibrage de l’Institut Géodésique de l’ UniBw pour le Gyromat 2000 utilisé pour le TBG Influence de la température sur l’instrument Le Gyromat est un système de mesure électro-optique et mécanique complexe. Des différences de température peuvent provoquer des différences sur les mesures dans plusieurs composants. Le fabricant a donc mis au point un système de calibration complet ce qui a pour conséquence que des corrections internes dépendant de différences de température sont appliquées. Des études intensives (Heister, 1992, Grillmayer, 2003) ont cependant démontré que des améliorations résiduelles – dépendant du type d’instrument – peuvent encore être déterminées. Ceci a conduit au fait que le Gyromat de l’Institut Géodésique de l’UniBwM a subi encore un calibrage indépendant basé sur les différences de température. Les résul-

Composantes de l’insécurité lors de mesures gyroscopiques Le premier théodolite gyroscopique de précision automatisé pour le marché civil (Eichholz et Schäfler, 1978) a été, à la fin des années 70, le Gyromat du Westfälischen Berggewerkschaftskasse (WBK, aujourd’hui DMT, Essen) Il a été l’instrument de référence pour de nombreux travaux tunneliers et a donc également été utilisé par plusieurs acteurs qui sont intervenus dans le projet du tunnel de base du Gothard (TBG). Bien que cet appareil jouisse d’un haut degré d’au54

Fig. 2: Modification de la valeur de calibrage du Gyromat 2000, no série 225 sur la durée de son utilisation au TBG.

AlpTransit Gotthard

tats sont présentés graphiquement sur la Fig. 3. La fonction de calibrage ainsi déterminée permet de calculer une amélioration des mesures en fonction de la température actuelle interne. La température de référence est de 20 °C. Le graphique démontre en particulier que par grandes différences de température, pouvant apparaître par exemple en hiver lors de mesures entre le portail et l’intérieur du tunnel, ces améliorations des mesures ne sont pas négligeables. Réfraction horizontale La déviation de la visée occasionnée par le gradient horizontal de température influence quasiment toutes les mesures géodésiques. Elle occasionne des erreurs systématiques et doit être particulièrement observée dans les travaux dans les tunnels, par des différences de températures extrêmes. Des recherches exhaustives par Heister en 1997 ont montré que des déviations de plusieurs mgon lors de mesures de l’angle horizontal sont fréquentes. Ce phénomène peut être minimisé par une série de mesures appropriées. Il faut ainsi observer les éléments suivants: • Des cibles proches des parois occasionnent en général des réfractions importantes; • Dans la proximité du centre du tunnel se trouve une zone thermiquement stable qui convient pour effectuer des mesures pratiquement sans réfraction; • Des visées en diagonale sont environ 70% moins influencées par le réfraction que des visées le long des parois; • Lors de report de directions dans le secteur des portails, il faudrait éviter la zone d’instabilité thermique. La formule suivante permet d’approximer les influences d(t) possibles de la réfraction: . Par exemple, lors d’une visée avec d=300 m et un gradient de température horizontal de grd t = 0,3 °C / m, nous obtenons déjà un d(t) = 3,0 mgon. Ceci démontre de nouveau que la réfrac-

Fig. 3: Modification de la mesure du Gyromat 2000, no série 225, en fonction de la température de l’instrument. tion horizontale est un facteur d’influence important qui peut diminuer considérablement les attentes fixées quant à la précision à atteindre pour un percement. D’autre part, l’angle de réfraction est également fonction de paramètres qui ne se laissent pas déterminer de façon aisée dans le pratique, afin de pouvoir déterminer une correction des mesures angulaires horizontales. Il s’agit encore de mentionner que les influences de la réfraction sont quantifiables grâce à des mesures gyroscopiques dans les deux sens. Dans ce cas, l’on peut assimiler la différence constatée au double de la valeur de d(t) (Heister, 1992). Ainsi, il est possible d’identifier des visées modifiées par la réfraction grâce à des mesures gyroscopiques

Mesures gyroscopiques dans le TBG Dans le cadre du projet du siècle du tunnel de base du Gothard (TBG), l’Institut de Géodésie de l’ UniBwM a effectué, avec d’autres instituts, les mesures d’orientation pour les mesures principales de contrôle avec un gyroscope de précision Gyromat. Il a été possible d’utiliser l’expérience acquise dans le cadre du percement du tunnel de base du Lötschberg. Les mesures de contrôle sur les réseaux

des portails à Erstfeld, Amsteg, Sedrun, Faido et Bodio, ainsi que les mesures des tronçons de tunnels respectifs ont été effectuées d’août 2004 à avril 2010 en six campagnes de mesure. Au cours de ce laps de temps, des mesures de référence en continu, ainsi que six mesures de calibrage de la température ont été effectuées pour le Gyromat 2000, no de série 225, sur la ligne de calibrage du laboratoire de calibrage de l’ UniBwM. Concept de mesure et mesures effectuées Le concept de mesure pour la détermination de l’orientation a été conçu pour que: • Une erreur à craindre inférieure à 1 mgon puisse être garantie, • les mesures soient contrôlées, • les modifications des valeurs de calibrage soient identifiées et localisées, • les influences de la réfraction soient connues et • la stabilité des lignes de référence locales puisse être surveillée Le planning ainsi obtenu pour une campagne de mesure est visible sur le diagramme Fig. 5. Les mesures gyroscopiques elles-mêmes ont été enregistrées via Wi-Fi sur un PDA, afin d’éviter toute intervention manuelle sur l’appareil durent le processus de mesure (Fig. 5). Le transfert de données est 55

AlpTransit Gotthard

ainsi exempt de toute erreur de report. Il est également possible d’obtenir un résultat corrigé de toutes les corrections et réductions jusqu’à obtenir une direction gyroscopique tK dans le système de projection de la mensuration officielle suisse:

DE vT dA da

tK = A + E0 + DE + vT – dA + da – c + dT, Légende A azimut brut (mesure gyroscopique) E0 Valeur de calibrage, déterminée sur la ligne de calibrage de l’UniBwM

Fig. 4: Planning d’une campagne de mesure gyroscopique au TBG. 56

c dT

Correction locale de calibrage ELOK = E0 + DE Correction due à la température, référence 20 °C Correction de la déviation de la verticale Réduction due à la hauteur de la cible Convergence du méridien Réduction de la direction dans le système de projection plane

Au total, l’on a effectué dans le cadre du projet 1383 mesures gyroscopiques individuelles, qui se répartissent comme suit: • 130 mesures sur la ligne de calibrage de l’ UniBwM (avant et après chaque campagne de mesure sur le TBG) • 555 mesures de calibrage de la température dans la chambre climatique du laboratoire de géodésie de l’ UniBwM • 100 mesures sur la ligne de calibrage de l’azimut de l’ UniBwM (avant et après chaque mesure de calibrage de la température) • 598 mesures dans le TBG dans 116 séries Ce nombre important de mesures permet naturellement de faire quelques considérations statistiques sur la précision et l’environnement des mesures. La Fig. 6 montre d’abord la répartition graphique de la déviation standard des mesures individuelles et de la moyenne des 116 séries de mesures. Les séries moyennées donnent les indications de précision indiquées sur la Tab. 1. L’environnement des mesures peut être décrit par les températures dominantes, celle-ci, ainsi que les corrections résiduelles sont résumées dans la Tab. 2 pour les mesures au TBG. Il est possible entre autres de déterminer les différences des mesures avant et arrière sur des gradients de température horizontaux, aussi bien pour les lignes de référence que pour les polygonales. Le résumé de la Tab. 3 montre que, à part quelques exceptions, cela n’a donné d’indications sur une possible réfraction horizontale. Cela indique un choix judicieux de lignes de référence et une bonne dis-

Fig. 5: Mesures gyroscopiques avec le Gyromat 2000, version UniBwM (commande sans fil, transfert de données et enregistrement par PDA). position des polygonales du tunnel. La préférence a été donnée à la zone située dans le milieu du tunnel car, comme expliqué, elle est influencée de façon minimale par la réfraction. Cela a été démontré dans le TBG et a eu une influence positive sur la propagation des erreurs des mesures d’angles horizontaux. Estimation des facteurs d’influence Afin de déterminer de façon réaliste l’insécurité des mesures gyroscopiques selon GUM, il convient d’estimer le mieux possible les insécurité des mesures de type A et de type B. Il est possible de les résumer de façon suivante, en accord avec les influences systématiques évoquées dans le paragraphe précédent: 1. Mesures sur la ligne de référence dans le réseau du portail et détermination de la valeur de calibrage locale ELOK Mesures gyroscopiques des mesures avant et arrière (de la Tab. 1) u A ref = 0,35 mgon (Typ A) Amélioration de la température vT (du protocole de calibration) uvT = 0,2 mgon (Typ A)

AlpTransit Gotthard

Fig. 6: Déviation standard des mesures individuelles gyroscopiques et des moyennes des 116 séries de mesure. Correction de la déviation de la verticale dA avec sh = 0,5’’donne approximativement sh udA udA = 0,15 mgon (Typ B) Direction de comparaison locale tR utR = 0,4 mgon (Typ B) Précision de centrage e e = ± 0,3 mm (Distribution uniforme) u(e) = 0,58 e = 0, 17 mm (voir Heister, 2005 a,b) pour 500 m visée pour point de station et cible ue = 0,03 mgon (Typ B) L’influence horizontale peut être négligée, car elle n’a pas été déterminée comme significative lors des mesures du TBG. La propagation de l’insécurité pour ELOK donne donc:

2. Mesures sur les polygonales dans le tunnel (analogue à 1) Mesures gyroscopiques des mesures avant et arrière u A = 0,35 mgon (Typ A) Amélioration de la température vT (du protocole de calibration) uvT = 0,2 mgon (Typ A) Correction de la déviation de la verticale dA avec sh = 1,0’’’ donne approximativement s h udA udA = 0,3 mgon (Typ B) Précision de centrage e e = ± 2,0 mm (Distribution uniforme)

u(e) = 0,58 e = 1,2 mm (voir Heister, 2005 a,b) sur 350 m visée pour point de station et cible ue = 0,31 mgon (Typ B) 3. Budget de précision pour le report d’orientation sur une ligne du tunnel, détermination de la direction gyroscopique tk selon la formule ci-dessus Pour l’insécurité standard combinée de la mesure gyroscopique tk, cela donne:

Si l’on tient compte des valeurs numériques déterminées sous 1. et 2. cela donne: 57

AlpTransit Gotthard

Ecart-type

Moyenne [mgon]

Minimum [mgon]

Maximum [mgon]

D’un azimut brut a : sa

1,03

0,13

2,66

De la moyenne A :

0,46

0,06

1,25

0,33

0,04

0,88

De la moyenne des mesures avant et arrière A : S A

Tab. 1: Déviation standard des azimuts bruts. Température du gyroscope [°C]

Amélioration due à la température vT [mgon]

Réseau du portail

Tunnel

Réseau du portail

Tunnel

Maximum

26,6

31,9

0,68

1,45

Minimum

–5,5

12,7

–1,22

–0,12

Moyenne

10,2

25,1

–0,27

0,45

Tab. 2: Températures du gyroscope et améliorations dues aux températures.

Différences sur les directions tK Gyroscopiques avant et arrière

Moyenne [mgon]

Minimum [mgon]

Maximum [mgon]

Réseaux des portails

0,36

0,01

1,36

Axes des tunnels

0,32

0,01

1,60

Tab. 3 : Ecarts sur les directions gyroscopiques planes des visées avant et arrière. Cette précision est à considérer comme un intervalle dans lequel les valeurs mesurées (résultats des mesures) peuvent se retrouver avec une probabilité d’environ 95%.

et ainsi uc(tK) = 0,84 mgon. Si l’on tient compte d’une probabilité de 95% (analogue à l’intervalle de confiance statistique) pour les directions gyroscopiques dans le tunnel, l’on obtient pour l’insécurité étendue des mesures avec k = 2: U(tK) = k · uc(tK) = 2 · 0,84 mgon L’insécurité étendue des mesures d’une direction gyroscopique reportée du portail devient finalement pour le projet TBG: U(tK) = ± 1,68 mgon. 58

Considérations finales Les mesures gyroscopiques se sont avérées être des méthodes indispensables dans de gros projets de tunnels, là où des mesures sur de longues rectilignes sont nécessaires, ceci tant par leur précision que par le gain de temps qu’elles occasionnent. Cette méthode spéciale et autonome pour la détermination de directions livre en outre des informations sur les facteurs d’influence sur l’environnement des mesures. Les mesures effectuées dans le cadre du projet du tunnel de bade Gothard ont

montré que la séquence des mesures effectuées a permis un report de l’orientation et l’obtention de résultats suffisants. Il a également été possible de détecter des modifications de l’orientation sur les réseaux des portails au cours du temps de déroulement du projet. Il a ainsi été possible de satisfaire clairement la contrainte maximale d’incertitude standard de détermination autonome de la direction d’une polygonale à l’intérieur du tunnel qui devait être inférieure à 1 mgon. La haute précision des mesures a également permis de démontrer que, grâce à une série de mesures éprouvées vers le milieu du tunnel (Heister, 1992, Korittke 1997), le TBG n’a été influencé que rarement par l’influence systématique due à la réfraction horizontale. Il convient enfin de relever que la mise en place d’un budget des incertitudes selon GUM a permis non seulement la prise en compte de valeurs statistiques, mais également la prise en compte d’autres informations y compris l’observation de valeurs expérimentales. Il a ainsi été possible d’obtenir une estimation de la précision complète et représentative. Le passage à un intervalle de précision est encore à faire, mais cela devrait être grandement simplifié pour nos estimés collègues grâce aux données statistiques de précision. Littérature: BIPM (GUM) (2008): Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement. JCGM 100. BIPM (2008): Evaluation of measurement data – Supplement 1 to the «Guide to the expression of uncertainty in measurement» – Propagation of the distributions using the Monte Carlo method, JCGM 101. Eichholz, K. und Schäfler, R. (1978): «Gyromat», ein automatischer Vermessungskreisel hoher Genauigkeit und kurzer Messzeit. Mitteilungen aus dem Markscheidewesen, Jg. 85, S. 281–293. Grillmayer, E. (2003): Untersuchungen systematischer Fehlereinflüsse bei Messungen mit dem Kreisel DMT Gyromat 2000. In: Brunner, F.K., (Hrsg.): Schriftenreihe des Instituts für Ingenieurgeodäsie und Messsysteme der technischen Universität Graz, Shaker Verlag, Aachen.

AlpTransit Gotthard

Halmos, F. (1971): Systematic and random errors of direction measurements with gyrotheodolites. MOM Review, 4, S. 24–32. Halmos, F. (1972): Zeitbedarfs- und Genauigkeitsuntersuchungen bei Polygonierungen mit Orientierungs- und Winkelmessungen. Das Markscheidewesen in den Sozialistischen Ländern, Bd. 6, S. 59–67. Heister, H., Lechner, W., Schödlbauer, A. (1990): Zur Genauigkeit und Kalibrierwertstabilität automatisierter Vermessungskreisel. In Schödlbauer, A.: Moderne Verfahren der Landesvermessung, Schriftenreihe des Studiengangs Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München, Heft 38-2, S. 501–528. Heister, H. (1992): Zur Anordnung von Kreiselmessungen unter besonderer Berücksichtigung von systematischen Fehlereinflüssen. In: Matthias, H.J., Grün, A.: Ingenieurvrmessung 92, Beiträge zum XI. Internationalen Kurs für Ingenieurgeodäsie, Bd. 1, Ferd. Dümmler’s Verlag, Bonn, S. I 7/1-7/14.

Heister, H. (1997): Experimentelle Untersuchungen zur Horizontalrefraktion im Tunnelbau. In: IX. Internationale Geodätische Woche Obergurgl 1997 – Fachvorträge, Institut für Geodäsie, Universität Innsbruck, Institutsmitteilungen, Heft 17, S. 79–91.

Tárzcy-Hornoch, A. (1935): Die durch den Einrechnungszug erzielbare Orientierungsgenauigkeit. Mitteilungen der Berg- und Hüttenmännischen Abteilung, Sopron.

Heister, H. (2005a): Zur Messunsicherheit im Vermessungswesen (I). Geomatik Schweiz, Geoinformation und Landmanagement, 11/2005, S. 604–607. Heister, H. (2005b): Zur Messunsicherheit im Vermessungswesen (II). Geomatik Schweiz, Geo information und Landmanagement, 12/2005, S. 670–673. Jordan/Eggert/Kneissl (1963): Handbuch der Vermessungskunde. Band II, Metzlersche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, S. 572 ff. Korittke, N. (1997): Zur Anwendung hochpräziser Kreiselmessungen im Bergbau und Tunnelbau. Geodätische Schriftenreihe der Technischen Universität Braunschweig, Nr. 14.

Prof. Dr.-Ing. habil. Hansbert Heister Dipl.Ing. Wolfgang Liebl Institut für Geodäsie der UniBwM DE-85577 Neubiberg H.Heister@unibw.de

AlpTransit Gotthard

Monitorage géodésique de de longue durée sur des barrages en haute montagne Pour les barrages Curnera, Nalps et Sta. Maria dans la vallée du Rhin antérieur des stations spéciales pour des mesures géodésiques ont été installées afin de surveiller d’éventuelles déformations de terrain provoquées par la construction du tunnel de base. Après plusieurs années d’expérience on peut affirmer pour l’essentiel que ces installations remplissent leur fonction, que les flancs de coteau – contrairement aux attentes – accusent des mouvements cycliques naturelles et que l’influence de la construction du tunnel sur la surface du terrain a pu être mesurée de façon significative.

D. Salvini, M. Studer

1. Introduction 1.1 Situation de départ Malgré l’importante couverture montagneuse allant jusqu’à 2500 m, les conséquences de l’excavation du tunnel de base du Gothard se manifestent aussi à la surface du sol. Les eaux de montagne qui s’écoulent du sous-sol par le tunnel occasionnent un drainage des montagnes. Ce drainage provoque des tassements à la surface du sol et, dès lors, des élargissements ou fermetures des vallées. Cette dynamique du sous-sol a déjà été constatée en effectuant des analyses théoriques durant la phase de planification. Ces analyses ont démontré que, sans prise de mesures adéquates durant l’excavation, telles que, par exemple, la pose conséquente et rapide de dispositifs d’étanchéité, des conséquents et rapides, des tassements en surface de jusqu’à 5 cm pouvaient se produire dans les barrages (Figure 1). Du fait des déformations de surface pronostiquées, les influences sur les barrages de Curnera, Nalps et Sta. Maria dans l’Oberland grison ont été analysées plus précisément. Le tracé du tunnel de base du Gothard de 57 km passe sous leur zone d’influence. Des analyses de risques ont été effectuées, qui indiquaient que la 60

probabilité d’un sinistre était très petite, mais que les dégâts probables dans le cas d’un sinistre étaient très importants. De ce fait, diverses mesures pour réduire les risques ont été ordonnées. Il a été décidé, entre autres, d’intensifier la surveillance de la surface du terrain dans la zone des barrages en considérant les besoins spécifiques de la construction du tunnel. Dans ce but, un concept en trois étapes de surveillance a été proposé. Le présent article explique le concept, la réalisation des systèmes de monitorage de l’étape 3 ainsi que les expériences acquises après dix années d’opération. La troisième phase englobe des mesures de surveillance effectuées pour le compte

d’AlpTransit Gotthard SA dans le but de maîtriser les risques du projet lors du passage sous les barrages (Figure 1). 1.2 Mandat Les tâches très variés pour l’étape de surveillance 3 englobent la surveillance à large échelle du terrain se trouvant immédiatement dans la zone des trois barrages. Il s’agit plus concrètement de la saisie de l’état naturel du terrain, respectivement de la montagne à des endroits représentatifs avant une éventuelle influence par la construction du tunnel. De plus, le comportement normal du terrain doit être saisi et les instruments de mesure calibrés en conséquence. La troisième tâche, et la plus importante, consiste à saisir immédiatement les mouvements inhabituels de la surface durant la construction du tunnel, qui pourraient mettre en danger la sécurité des barrages. Lors de la mise en œuvre d’un tel système de sécurité, il fallait tenir compte, d’une part, des exigences du maître d’ouvrage concernant la précision (mouvements des versants ±4 mm, variations d’altitude mesurées par nivellement 2.5 mm/km) et, d’autre part, la disponibilité des résultats. Par ailleurs, les défis liés à l’installation et à l’opération des installations de mesures toute l’année durant dans la haute montagne dans des conditions météorologiques les plus dures ne devaient pas être sous-estimés.

Fig. 1: Illustration schématique du drainage des montagnes.

AlpTransit Gotthard

Fig. 2: Périmètre de surveillance et méthodes de mensuration.

2. Réalisation 2.1 Concept Le concept proposé par le mandataire prévoyait un système de monitorage en plusieurs étapes, qui exploitent au mieux les forces et avantages de diverses téchniques de mesure géodésiques : les barrages et leur environnement immédiat sont surveillés à l’aide de systèmes tachymétriques automatiques. Des informations ponctuelles sur d’éventuels mouvements de terrain sont également collectionnées toute l’année à l’aide de stations GPS autonomes. L’expansion et la profondeur de vastes cavités d’affaissements sont déterminées avec un haut degré de précision par des nivellements de précision le long de routes ou dans des galeries. Si le nivellement déborde suffisamment de la cavité d’affaissement, des mouvements altimétriques absolus peuvent également en être déduits. 2.2 Construction et senseurs En ce qui concerne les senseurs géodésiques et les accessoires des stations de

mesure automatiques, des appareils disponibles sur le marché pouvaient être utilisés et pour les dispositifs électriques et électroniques, des composantes standards. Le grand défi lors de la mise en place de l’installation de mesure était le choix des matériaux, fixations et solutions de communication de données adéquats. Ces éléments étaient à optimiser en fonction de chaque position en relation des conditions afin de réaliser une installation opérationnelle toute l’année. Le dur climat des montagnes met toutes les installations à rude épreuve : les basses températures, les vents forts, les chutes de neige importantes et les décharges électrostatiques liées aux orages ne doivent en aucun cas entraver le fonctionnement de l’installation de mesure plus longtemps qu’une journée. Le monitorage de la section transversale a été réalisé à l’aide de deux tachéomètres sur chaque crête de barrage et en amont des trois coupes transversales (Figure 2) à l’aide d’un tachéomètre soit au fond ou sur les flancs de la vallée. En ajoutant un tachéomètre supplémentaire installé pour relier un barrage à une section transversale, dix tachéomètres sont en service depuis 2000. La surveillance des repères de nivellement individuels est effectuée à l’aide de dix récepteurs bifréquence GPS. Les positions GPS devait se faire en prenant

en compte aussi bien les conditions géologiques que de potentiels risques naturels (p. ex. les avalanches). Les différentes installations de mesure GPS disposent d’une alimentation électrique (solaire) et d’un système de transmission de données autonomes (réseau GSM). De plus, nos partenaires ARGE Amberg Technologies ont installé six extensomètres multipoints en amont des murs de Nalps et de Sta. Maria et les ont intégrés dans le processus de mesure automatique. Ces extensomètres doivent enregistrer d’éventuels mouvements de la roche à proximité des murs de barrages. L’organisation des processus et du flot continu des donnés ainsi que la programmation, respectivement l’automatisation des analyses jusqu’à la présentation des résultats exigeaient un important savoirfaire technique. Après quelques améliorations des infrastructures suite aux expériences faites durant les premiers hivers, les installations de mesures atteignent aujourd’hui une fiabilité de pratiquement 100% durant toute l’année (Figure 3). 2.3 Opération des installations de mesures Durant la nuit, les systèmes tachymètriques automatiques relèvent toutes les heures les points de surveillance à proximité. Les données météorologiques né-

Fig. 3: Illustration des travaux de montage. 61

AlpTransit Gotthard

Fig. 4: Nivellement au lac de Ritom.

cessaires au calcul des coordonnées exactes tridimensionnelles des points sont saisies en même temps que les données géodésiques. Les données de mesures relevées la nuit sont traitées sur le terrain le matin suivant par un ordinateur de commande. Il les transmet par courriel au centre de données de Regensdorf où elles sont analysées selon un processus automatique. Avant la présentation des résultats, un ingénieur contrôle les dernières graphiques afin de vérifier que les résultats ne contiennent pas d’erreurs de mesure évidentes. Malgré les algorithmes d'évaluation affinés et les méthodes de filtrage affinés, il n’est pas exclu que des erreurs ponctuelles ne falsifient les analyses. Les stations de mesures GPS sont commandées directement par le centre de calcul. Chaque semaine durant les nuits de vendredi à lundi, elles relèvent les signaux satellites. La transmission des données au centre de calcul s’effectue automatiquement, alors que l’analyse est faite manuellement. La mesurabilité du nivellement est limitée à la période sans neige (généralement de mai à octobre). Durant les mois d’août et de septembre, deux équipes relèvent les données d’un réseau de nivellement d’une longueur d’environ 100 mètres le long des routes, chemins et galeries, en appliquant les standards de qualité du nivellement fédéral (arrièreavant-avant-arrière) (Figure 4). 62

Fig. 6: Installation GPS au-dessus du tracé du tunnel de base du Gothard à Nalps. 2.4 Analyse des données Les mesures des déformations se basent normalement sur des points dont on suppose qu’ils ne sont pas sujets aux mouvements et qui sont donc fixes. Etant donné que dans le cas présent il faut s’attendre à des mouvements de terrain dans une vaste zone, le concept d’analyse doit être adapté, c’est-à-dire que les points de rattachement sont simultanément considérés comme des points d’observation. La statistique géodésique propose pour cela la méthode de l’ajustement stochastique. Sur la base de l’organisation spatiale des points dans la zone de surveillance, des paires de points peuvent être formés, qui décrivent dans une période donnée les mouvements transversaux et longitudinaux relatifs à la vallée ainsi que les mouvements dans la hauteur. Les informations sont résumées numériquement sous forme de matrice à moitié remplie et mise à disposition du client. Les

résultats sont également représentés graphiquement sous forme de diagrammes temps/trajectoire (Figure 5). Les mensurations GPS sont analysées à l’aide du logiciel d’analyse GPS du fabriquant et améliorés par la suite avec un modèle de correction météorologique élargi. Ceci est nécessaire pour obtenir une très grande précision pour les mesures GPS influencées par les conditions météorologiques. Le nivellement annuel est évalué à chaque campagne de mesures par une compensation d'ensemble. Les résultats sont également présentés sous forme numérique et graphique.

3. Résultats Dans les premières années d’opération de l’installation de mesures, l’état de la surface du terrain a été établi alors que les travaux d’excavation du tunnel du Gothard étaient encore éloignés de plusieurs

Fig. 5: Illustration graphique de la contraction de la vallée près du mur du barrage de Nalps.

AlpTransit Gotthard

kilomètres de la zone de surveillance. Durant cette période, on a pu observer le comportement normal du terrain et calibrer les instruments et les analyses. A cette occasion, des écartements inhabituelles de la vallée du début de l’été jusqu’à la fin de l’hiver et des contractions rapides au début de l’été ont pu être observés. Ces mouvements démontrent une corrélation cyclique avec les saisons et donc avec la nappe phréatique. Ces mouvements saisonniers réversibles ont été mesurés dans toutes les sections transversales de la vallée, mais à des degrés différents. Les maxima des mouvements cycliques vont jusqu’à 16 mm entre les points situés sur les flancs de montagne opposés. Des variations saisonnières similaires ont été observées dans les stations de mesures GPS. A l’approche des travaux d’excavation depuis le nord (TA Sedrun) et le sud (TA Faido), des mouvements irréversibles ont été détectés à la surface du terrain qui ont un lien de cause à effet avec la construction du tunnel de base du Gothard. Il s’agissait de tassements et de contractions simultanés (voir Figure 6). Selon la position, ces mouvements sont de l’ordre du millimétrique au centimétrique. En raison de la faible importance et régularité de ces mouvements dans la zone des barrages, aucun danger potentiel théorique ou de dégât sur les barrages n’ont été constatés. Le comportement des points GPS est également clairement influencé par les travaux d’excavation. La position de toutes les stations de mesures se déplace en direction de l’axe du tunnel et des tassements de l’ordre centimétrique ont été détectés.

4. Découvertes et conclusion L’ensemble de l’installation de mesures est en opération depuis dix ans et fournit chaque jour des résultats fiables et précis. Durant cette période, des expériences ont été accumulées qui ont suscité un grand intérêt même en dehors de la géodésie. • Dans les vallées alpines, des écartements et des contractions saisonnières de quelques centimètres se produisent du fait du niveau variable des eaux des montagnes. • Les cavités d’affaissements peuvent être surveillées de manière «absolue» par nivellement. L’étendue du réseau doit toutefois être suffisamment large, de manière à ce que les points fixes soient positionnés en-dehors de la zone de tassement. De plus, le fait d’effectuer des nivellements sur les mêmes trajectoires pendant des années a prouvé sa validité. Cette méthode permet d’interpréter les mouvements à long terme de manière plus fiable et souvent bien en-dessous du seuil de signification selon la précision théorique. • Les stations de mesures GPS autonomes fonctionnent de façon fiable même en haute montagne. A condition d’effectuer une évaluation minutieuse et une analyse de tendances, elles remplissent les exigences de précision dans l’ordre millimétrique. • La combinaison de systèmes de mesures manuels et automatiques était idéale sur plusieurs points dans les priorités conflictuelles entre l’exigence d’une sécurité maximale et la mise en œuvre optimale des moyens financiers.

• Pour exclure des erreurs de mesure qui ne peuvent pas être compensées (p. ex. dues aux températures), des mesures particulières (p. ex. se limiter à des mensurations de nuit, calibrage périodique des tachéomètres auprès du fabricant etc.) doivent être prises. • La combinaison de processus de transmission et d’évaluation des données manuels et automatiques a deux avantages: les processus manuels sont rapides et évitent les erreurs humaines et le géomètre vérifie avec son savoir-faire la plausibilité des résultats avant de les transmettre au maître d’ouvrage. • Les zones étendues doivent être surveillées suffisamment tôt pour pouvoir établir la situation avant le début des activités de construction et pour calibrer les systèmes de mesures. • Des rapports et des discussions périodiques avec le maître d’ouvrage assurent une compréhension mutuelle des installations de mesures et de leurs limites (par exemple lors de conditions météorologiques difficiles à court terme). Il en est de même en ce qui concerne l’interprétation des tabelles et graphiques qui en résultent.

Dante Salvini Mario Studer BSF Swissphoto AG Dorfstrasse 53 CH-8105 Regensdorf-Watt dante.salvini@bsf-swissphoto.com mario.studer@bsf-swissphoto.com

AlpTransit Gotthard

Travaux de mensurations polyvalents à l’extérieur du tunnel dans les constructions externes de Altdorf-Erstfeld, Amsteg et Faido Mandaté par AlpTransit Gothard SA (ATG), IG GEOSWISS effectue depuis 1995 les travaux de mensuration pour le maître d’ouvrage. Ces travaux recouvrent un large spectre d’activités d’ingénierie de mensuration: l’entretien du réseau des points fixes, les relevées pour le projet et la documentation des ouvrages éxécutés, le contrôle d’ouvages, le piquetage d’axes principaux et enfin la surveillance de la déformation de divers objets. Tous ces travaux présentent un défi journalier pour les spécialistes de la mensuration et ceci dans des conditions d’étroitesse des lieux et de chantiers de longeur considérable. Selon le mandat les spécialistes doivent répondre à des exigences de précision différentes. Tous ces travaux doivent être exécutés dans des délais précis afin de ne pas enrayer les rouages du chantier des NLFA. De plus, les équipes de mensuration sont soumises de temps à autre au violent foehn ou à d’intenses chutes de pluie.

Mandat

U. Bättig, S. Bühler, D. Eberhart, R. Bänziger

IG GEOSWISS En 1995, la société d'ingénierie IG GEOSWISS a été mandatée d’effectuer les travaux de mensuration dans la zone des sites de construction à l’extérieur du tunnel de base du Gothard dans les tronçons d’Altdorf/Erstfeld, d’Amsteg et de Faido. IG GEOSWISS est composée des quatre bureaux d’ingénieurs suivants: • Gruner AG, Basel (BS) • Kost + Partner AG, Sursee (LU) • Markwalder & Partner AG, Burgdorf (BE) • Ingenieurbüro Robert Bänziger, Niederhasli (ZH) La direction opérationnelle est aux mains de Gruner AG. Pour le compte d‘ATG, nous travaillons ensemble pour effectuer les tâches liées aux constructions externes du VI Nord (géomètre expert Nord), du VI-A (géomètre expert Amsteg) et du VI-F (géomètre expert). 64

Mandaté par ATG, IG GEOSWISS effectue les travvaux de mensuration du maître d‘ouvrage sur les sites de construction externes de Altdorf/Erstfeld, d’Amsteg et de Faido (voir images 1, 2 et 3). Les travaux comprennent la densification et l’entretien du réseau de base des points fixes dans la zone des sites de construction, le piquetage, les contrôles et la surveillance ainsi que divers petits travaux de mensuration pour le compte de la direction générale et locale des travaux.

Réseau de points fixes d’Altdorf à Erstfeld Outre les travaux de surveillance et de contrôle, l’une des tâches principales consistait à densifier et à entretenir le réseau de base géodétique dans les zones de chantiers, qui constitue pour les entreprises la base pour les travaux de mensuration, les implantations spécifiques, la surveillance et les contrôles.

Réseau de base des points fixes du chantier Le réseau de base des points fixes repose essentiellement sur le réseau de base (NetzGBT) d‘AlpTransit Gothard SA et constitue une densification de ce réseau de base. Outre le réseau NetzGBT, les points fixes du réseau des CFF sont également inclus dans la détermination du réseau de base des points fixes du chantier. Ceci permet d’assurer que les travaux de construction, tout en respectant les exigences de précision pour les points fixes, sont également en accord avec les infrastructures existantes. A l’heure actuelle, le réseau de base du chantier dans la zone d’Altdorf/Erstfeld comporte environ 120 points. Exigences de précision et méthodes de détermination Les exigences de précision dans les travaux de construction sont élevées. De ce fait, le réseau de points fixes utilisé doit également satisfaire aux exigences minimales de précsision. En principe, la précision locale entre les points du réseau ne doit pas dépasser 15 mm en position et en hauteur. La détermination de la position des points fixes s’effectue sur le terrain à l’aide de stations totales et la détermination de la hauteur par nivellement. Les précisions se situent dans le domaine submillimétrique sur l’ensemble du terrain. Entretien Du fait de l’activité intense de construction dans les divers secteurs, l’entretien du réseau de points fixes revêt une grande importance. Les points endommagés et les lignes de vue «brisées» font partie du quotidien. Pour garantir au moins la précision des points à long terme, les nouveaux points sont sécurisés aussi souvent que possible par des boulons CFF ou fixés sur les constructions. En raison de l’avancement rapide des travaux et de la construction de nouveaux édifices et de dépôts de matériaux excavés, la visibilité entre les points fixes change rapidement. Dès lors, le réseau de base des points fixes

AlpTransit Gotthard

Altdorf, à Amsteg et à Faido, de nombreuses infrastructures sont situées dans un espace restreint et dans le perimètre du chantier, un grand nombre de monitorages sont nécessaires. Les objets à surveiller sont définis dans un concept global de monitorage par ATG. Ci-après, quelques objets de surveillance exemplaires sont décrits de manière plus précise.

Fig. 1: Vue du site de construction de Altdorf/Rynächt jusqu’au tronçon d‘Erstfeld. du chantier est en perpétuel changement et il est régulièrement complêté par de nouveaux points. Points fixes pour le monitorage de précision Pour la surveillance d’objets au millimètre près, tels, par exemple, la ligne de base des CFF, des réseaux locaux sont utilisés sur le réseau de base de points fixes du chantier. Avec ces réseaux locaux, qui sont exclusivement installés pour ces travaux de monitorage spéciaux, on peut atteindre des précisions de l’ordre de grandeur de 1 σ = ± 1 mm. Les mesures de tassement, qui sont effectués par nivellement, permettent d’atteindre des précisions se situant dans le domaine submillimétrique.

tionnalité sans restriction des infrastructures existantes doit être assurée. La majorité des contrôles sont effectuées pour garantir la sécurité des infrastructures existantes et pour détecter à temps d’éventuelles déformations pour pouvoir prendre des mesures appropriées. Certains objets sont également surveillés pour la conservation des preuves, pour documenter des dommages de l’ouvrage dus à des déformations. Comme dans le secteur des chantiers ATG de Rynächt à

La ligne principale des CFF Altdorf/ Erstfeld – le cœur des travaux L’objet le plus long et le plus important à surveiller est la ligne principale des CFF entre Altdorf et Erstfeld. Le tracé est surveillé sur une longeur d’environ 3.6 km. Ce monitorage peut être considéré comme la pièce centrale de toutes les surveillances. La sécurité et le fait de garantir le trafic nord-sud sont au centre des préoccupations: le trafic ferroviaire ne doit pas être perturbé par les travaux qui son effectués à proximité immédiate du tracé CFF existant. L’ensemble du perimètre de surveillance est divisé en sept secteurs, qui sont mesurés à différentes intervalles selon les activités de construction. Dans les zones à grande activité de construction, des surveillances hébdomadaires sont effectuées et dans celles à faible activité des surveillances seulement tous les deux mois.

Monitorage L’ingénieur en mensuration est mandaté pour surveiller les déformations de divers objets. Cela concerne les objets naturels, les bâtiments existants et les nouvelles constructions ATG. Selon l’objet, diverses précisions et intervalles de surveillance sont exigées. Ces surveillances sont nécessaires pour deux raisons principales: d’une part, la sécutité des chantiers ATG doit être garantie et, d’autre part, la fonc-

Fig. 2: Vue des installations extérieures et galéries d’accès au tronçon d'Amsteg. 65

AlpTransit Gotthard

Les précisions pour le monitorage en position et en hauteur sont de 1 σ = ± 2 mm. Pour atteindre ces précisions, un réseau de points fixes spécial a été crée. Dans ce réseau, on travaille avec la méthode de la station libre. Les caténaires des CFF sont surveillés. Il sont été équipés de bandes réflecteurs et peuvent ainsi être mesurés sans devoir pénétrer le tracé. Les résultats sont utilisés par les responsables d’ATG et des spécialistes des CFF comme base pour d’éventuelles interventions. Pont de chemin de fer d‘Altdorf/Erstfeld, voie ferrée et palplanche Stille Reuss Outre le pont de chemin de fer existant qui travserse la Stille Reuss, un autre pont, par-dessus lequel passera la voie d’accès du tunnel de base du Gothard, a été construit immédiatement à côté. Comme les travaux s’approchaient des voies existantes de la ligne principale des CFF jusqu’à environ 1m et affectaient également l’ouvrage du pont de chemin de fer, une surveillance locale supplémentaire a dû être mise en place. La surveillance de la ligne principale des CFF ne parvenait pas à répondre aux besoins du site en se référant uniquement aux caténaires. Un concept de monitorage spécial était nécessaire. Les voies CFF existantes, le corps et les fondements du pont ont été surveillés. A un stade ultérieur, les palplanches pour la sécurisation de l‘excavation du nouveau pont de chemin de fer ont été contrôlées. Dans une première phase, lorsque les palplances ont été enfoncés durant la nuit à un mètre des voies, les matins suivants entre 4 h 30 et 5 h 00, les voies devaient être contrôlées en position et en hauteur, ainsi que le dévers et la distorsion sur une longueur d’environ 50 m sur les deux voies. L’analyse des données devait être effectuée sur place en l’espace de cette demi-heure et de manière fiable afin de pouvoir organiser l’éventuel passage d’une machine bourreuse et dresseuse entre 5 h 00 et 6 h 00, car à 6 h 00, les deux voies de la ligne principale devaient être libérées pour le trafic ferroviaire. La précision exigée en hauteur et position était de 1 σ = ± 1 mm. L’utilisation de la 66

bourreuse et dresseuse était nécessaire lors d’un déplacement en position de > 4 mm, d’un tassement de > 20 mm ou d’une distorsion de > 2‰. Pour le pont, d’autres valeurs étaitent appliqués pour le tassement: valeur seuil de l'alarmec = 50 mm et valeur seuil d’intervention = 100 mm. La station libre a été utilisée pour le monitorage. Les voies ont été contrôlées avec un gabarit d’écartement et le pont par le système fixe de repérage de la voie des CFF. Ceci permettait un contrôle rapide de la hauteur et de la position de l’axe de la voie ainsi que du dévers et simultanément de la hauteur et de la position du pont. Les résultats des mensurations ont été résumés sous forme de tableaux et pouvaient être continuellement discutés avec les spécialistes des CFF. Dans une deuxième phase, lors des travaux de construction du pont, une surveillance hébdomadaire était nécessaire. Le concept de monitorage a été maintenu, car il était également utile pour les surveillances hébdomadaires sous trafic. La surveillance des palplanches a également débuté dans cette deuxième phase. Altdorf/Erstfeld RUAG Reusshalle La RUAG Reusshalle à Altdorf est un exemple pour un objet à surveiller situé en dehors du périmètre de construction. La halle, respectivement les machines de précision qu’elle contient sont hautement sensibles à des inclinaisons et aux vibrations. De ce fait, la halle a été surveillée à l’aide de deux méthodes différentes. D’une part, un nivellement de précision a été effectué pour la conservation de preuves concernant le tassement occasionné par les travaux de construction, et, d’autre part, des instruments de mesure des vibrations ont été installées près des machines sensibles et des valeurs seuil ont été fixés pour les vibrations. Les instruments de mesure enregistraient les vibration dans des intervalles de détection déterminées et les résultats pouvaient être consultés en ligne par les responsables. La surveillance permanente étant assurée par les instruments de mesure des vibra-

tions, seules des mensurations de référence et une mensuration finale ont été effectuées avec le nivellement. La précision du nivellement était de 1 σ = ± 0.3 mm. Faido décharge Chiggiogna/Cavienca et Polmengo Entre 2000 et 2002, deux décharges ont été installées à Chiggiogna/Cavienca et Polmengo, à proximité de la route cantonale et de la ligne ferroviaire. La décharge de Polmengo est une décharge provisoire qui sera complètement démontée, celle de Chiggiogna/Cavienca (voir Figure 3) et une décharge définitive. Pour cette raison, il était nécessaire de surveiller les infrastructures existantes, particulièrement la ligne ferroviaire du Gothard existante. En raison de mouvements détectés lors des relevés topographiques, l’étendue des mensurations était continuellement élargie en ce qui concerne le nombre de bâtiments surveillés et la zone de surveillance. A l’heure actuelle, les objets suivants sont contrôlés en hauteur et position sur une distance de près de 2 km: les fondations de mâts de la ligne ferroviaire, le mur de protection longeant la ligne ferroviaire, la route cantonale à côté de la ligne ferroviaire et des points de terrain (points Golena). Tous les points à surveiller se trouve dans un périmètre restraint. Tout comme pour la ligne de base des CFF à Altdorf/Erstfeld, la sécurité et le bon fonctionnement du trafic nord-sud sont ici également dans le centre des préoccupations. Les intervalles des mensurations consécutives des divers objets ont été préalablement définies par l’ingénieur du projet. Elles incluent aussi bien les relevées mensuelles actuelles que des relevées trimestrielles et, dans les phases critiques, des relevées mensuelles. La position est mesurée par enregistrement tachymétrique à l’aide de stations libres et la hauteur par un nivellement de précision. La précision pour les monitorages de la position est de 1 σ = ± 2 mm et de la hauteur de 1 σ = ± 0.5 mm. Il était particulièrement difficile d’installer les points fixes dans un terrain sécurisé. En ce qui

AlpTransit Gotthard

Fig. 3: Vue de la décharge Chiggiogna/Cavienca, au sud du point d'attaque intermédiaire de Faido. concerne la position, trois points fixes ont été montés sur des consoles dans la roche opposée. Il fallait recourir au rocher parce que l’ensemble du fond de la vallée est situé dans le périmètre de surveillance et qu’il est soumis aux mouvements. Initialement, les points fixes altimétriques se trouvaient sur la voie ferrée en dehors du périmètre de surveillance. Lors des premières relevées de terrain, il a toutefois été constaté que les points fixes altimétriques bougaient également. De ce fait, le périmètre de surveillance a graduellement été étendu et les points fixes ont été déplacés sur les flancs des falaises ainsi que sur le réseau de la mensuration officielle dans les villages, largement en dehors du périmètre de surveillance. Géographiquement, de grandes différences peuvent être constatées en termes

de tassements et de déplacements en position. Les tassements et déplacements en position des divers objets sont toutefois en corrélation spatiale. Depuis l’étude de terrain de l‘année 2000, des déplacements significatifs de jusqu’à 0.30 m en hauteur et position ont été mesurés dans certains objets (particulèrement aux fondations de mâts de la ligne de base du Gothard situés sur un remblai). Les travaux de mensuration variés et intéressants dans ce projet du siècle ont constitué un défi pour nos géomètres de la communauté d'ingénieurs aussi sur le plan technique que logistique et personnel. Nous pouvons affirmer avec fierté que nous avons relevé ces défis avec succès. Notre communauté d’ingénieurs IG GEOSWISS est devenue une unité solidaire dans ce procéssus.

Urs Bättig (Gruner AG, Basel) Samuel Bühler (Kost + Partner AG, Sursee) Daniel Eberhart (Markwalder & Partner AG, Burgdorf) Robert Bänziger (Ingenieurbüro Robert Bänziger, Niederhasli) IG GEOSWISS c/o Gruner AG Gellertstrasse 55 CH-4020 Basel urs.baettig@gruner.ch

AlpTransit Gotthard

Mesures de surveillance au portail d‘Erstfeld Les premiers 600 m du tunnel de base du Saint-Gothard côté Uri ne sont pas excavés par minage mais construits à ciel ouvert. Près d’Erstfeld ce tronçon du tunnel se situe dans une entaille dans le coteau mesurant jusqu’à 30 m de profondeur. Les installations sécurisant les pentes, les remblais et le tunnel à ciel ouvert lui-même font l’objet d’une surveillance par des techniques de mensuration pendant toute la durée des travaux. A cet effet des exigences maximales en précision, fiabiliité et fléxibilité de la technique de mensuration sont de mise.

J. Gämperle, M. Furrer

Tranchée couverte dans le terrain meuble Le portail nord proprement dit du tunnel de base du Gothard est situé à l’endroit où le tracé de la ligne ferrovière rencontre le roche compacte, donc à l’endroit où le tunnel peut être excavé par minage. Une tranchée couverte d’une longueur de 600 m, intégrée dans le terrain meuble du flanc de la montagne, mène jusqu’au portail (fig. 1). Pour réduire au maximum l’impact de la charge supplémentaire occasionnée par la tranchée couverte, toute la zone concernée a été préalablement chargée de plusieurs mètres de remblai. Immédiatement devant le portail, le versant de la tranchée couverte a été sécurisé sur une longueur de 200 m par des pieux forés armés d’une hauteur de 30 m, qui sont ancrés sur plusieurs niveaux dans la roche par des poutres en béton (fig. 2).

tôt que possible et comparés aux valeurs prévisionnelles. Pour ces relevées, des instruments de mesure géodésiques et géotechniques sont utilisés.

pondre aux exigences en stabilité et en précision. De plus, il devait être opérationnel en permanence, même lorsque les installations de construction étaient constamment modifiées. Le réseau de points fixes est constitué d’environ 40 points fixes planimétriques et altimétriques situés autour de la zone du portail. 10 de ces points se trouvent sur des bâtiments ou sur le côté de bâtiments à des distances jusqu’à 600 m du portail. Les piliers de mesure préfabriqués étaient placés sur les toitures plates avec l’aide d’une entreprise locale de transport par hélicoptère. Les points dans la roche audessus du portail devaient être installés au moyen d’opérations de varappe (fig. 3). Le réseau ce points fixes est parfaitement intégré au réseau principal du tunnel de base.

Elaboration du réseau de points fixes

Monitorage des remblais

Un réseau de points fixes servant de base à toutes les tâches de monitorage géodésique a été mis en place, qui devait ré-

Pour surveiller les tassements effectifs provoqués par la charge de remblais, des tubes en acier ont été ancrés au sol à plu-

Tàches de surveillance Pour des raisons de sécurité, les objets suivants doivent être surveillés: • Couche de remblai • Pieux forés • Tranchée couverte Pour la sécurisation des pentes et les constructions en particulier, d’éventuels changements doivent être repérés auusi 68

Fig. 1: La zone du portail d’Erstfeld: la paroi de pieux forés sécurise la pente située juste avant le portail du tunnel. A gauche, la tranchée couverte a déjà été construite. Des convoyeurs et la place d’installation entourent le chantier (Image: AlpTransit Gotthard AG, Adrian Wildbolz).

AlpTransit Gotthard

sitions de mesures. Les mensurations géodésiques permettent de déterminer de manière significative les changements de position de plus de 5 mm. Les tubes des inclinomètres fixés dans les pieux forés sont également mesurés tous les trois mois. Une sonde, qui mesure à intervalle de 60 cm les écarts de l’axe du puits de forage, est introduite dans les tubes. Ceci permet d’analyser le comportement de déformation des piliers et sur la stabilité de la pente.

La tranchée couverte

Fig. 2: La paroi de pieux forés mesurant environ 30 mètres (Image: Basler & Hofmann). sieurs endroits. Ces tubes étaient dirigés vers la surface par des puits de conduits et povaient être rallongés ou racourcis selon l’évolution des tassements. La hauteur des 21 niveaux était déterminée par un nivellement de précision. De plus, deux forages de sondage ont été surveillés par des sondes SE, qui permettent de détecter des déformations dans le sous-sol. Les

Fig. 3: Sécurisation des points de mesure en dessus du portail du tunnel (Image: Basler & Hofmann).

tassements relevés allant jusqu’à 35 cm correspondaient aux projections.

Sécurité de la paroi de pieux forés Pour garantir la sécurité dans la zone immédiatement devant le portail du tunnel, les éventuelles déformations dans les deux parois latérales doivent être surveillées pendant toute la durée des constructions. Les influences sur au moins 5 % des ancrages dans la roche sont automatiquement surveillées. Les dépassements des tolérances sont immédiatement signalés par une alarme automatique et la direction locale des travaux est directement informée. De plus, 60 points dans la paroi sont surveillés par des mesures géodétiques tous les trois mois. Les points de monitorage sont durablement sécurisés par des miniprismes et sont déterminés par des mesures du réseau de points fixes. Une opération de mesure consiste en 10 à 15 stationnements sur le bord des parois, de manière à ce que chaque point puisse être mesuré depuis au moins deux stations. La situation changeante due à l’avancement des constructions exige une adaptation flexible des po-

La tranchée couverte est composée de deux tubes parallèles. La zone située immédiatement devant le portail devant rester dégagée pour permettre le montage et le démontage du tunnelier, la tranchée couverte a été construite depuis le nord. Environ 30 sections transversales avec sept points chacune sont contrôlés dans le tunnel. Une tolérance de mesure de 4 mm est ici exigée pour le déplacement spatial entre deux époques. Les points de surveillance dans la zone supérieure du profil du tunnel sont équipés de miniprismes, alors que ceux qui sont situés dans la zone inférieure sont équipés de chevilles et de boulons CFF. Parallèlement, des mesures de tassement sont effectués dans environ 35 sections transversales sur les dalles des tubes. En été 2009, les premiers profils dans la tranchée couverte ont pu être sécurisés. Depuis cette période, des mesures consécutives sont effectuées en permanence.

Dplacements en direction du sud Les résultats des premières mesures consécutives ont indiqué des déplacements allant jusqu’à 15 mm dans le sens longitudinal du tunnel, qui diminuent en direction du sud. Les déplacements dans le sens longitudinal du tunnel sont rares; on s’attend plutôt à des déformations du profil. La raison de ces déplacement réside dans le mode de construction du tunnel. Les différentes sections ont été construits au moyen de blocs monoli69

AlpTransit Gotthard

Fig. 4: Mensuration géodésique sur la paroi de pieux forés (Image: Basler & Hofmann). thiques à armature continue. Les dilatations du corps en béton ne sont pas comme normalement compensées par les joints de dilatation, mais sont cumulées. En fonction de la température, le tunnel se rétracte en direction du centre de gravité momentané, respectivement s’étend dans la direction contraire. Le centre de gravité du tunnel se déplaçant chaque se-

conduits et les grues portiques empêchent souvent la vue sur les poinst fixes ; de ce fait, il fallait constamment rechercher de nouvelles positions pour les mesures géodésiques (fig. 4). Les miniprismes situés dans la paroi de pieux forés ont souvent été tellement salis par les convyoeurs placés en dessous, par lesquels le matériel d’excavation était évacué du tunnel, qu’ils devaient être nettoyés lors de manoevres de descente en rappel. Par contre, les résultats des mensurations sont à juger positivement pour les ingénieurs en génie civil, car à aucun moment, les objets surveillés ne constituaient un danger pour le chantier. Toutes les déformations se situaient dans la marge des tolérances admises. Les relevées de la paroi et de la tranchée couverte vont se poursuivre jusqu’à la finalisation du remblai.

maine de 10 m vers le sud, les déplacements mesurés pointent également dans cette direction.

Monitorage flexible Les environs du chantier exige une grande flexibilité des géomètres: les convoyeurs, les centrales de ventilation, les

Jörg Gämperle, Michael Furrer Basler & Hofmann Fachbereich GIS und Geomatik Forchstrasse 395, Postfach CH-8032 Zürich joerg.gaemperle@baslerhofmann.ch

AlpTransit Gotthard

Le rôle de la mensuration dans le chantier du tunnel du Monte Ceneri Le rôle souvent négligé des mesurages est cependant un élément essentiel dans le cadre de la réalisation d’ouvrages complexes et éxigeants tel que le tunnel ferroviaire du Monte Ceneri. Lors des phases de préparation les spécialistes de la mensuration sont tenus de fournir pour le projet les données géodésiques nécessaires: ils doivent donc définir les réseaux extérieurs des points de référence fixes et déterminer les points les plus importants dans la galerie afin de garantir une orientation correcte des travaux de creusage. En outre les profils du tunnel doivent être surveillés pendant l’avancement des travaux et les ouvrages à l’air libre contrôlés (aussi bien les existants que ceux en cours de réalisation) afin de détecter à temps d’éventuelles déforma tions. Enfin il y a lieu de définir et fixer avec une extrème précision les points de référence (avec une tolérence en dessous du millimètre) pour la pose des rails et pour toutes les installations techniques du train à grande vitesse.

C. Bernasconi Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri s'étend sur une longueur de 15,4 km et comporte l’excavation totale de env. 40 km de galeries (figure 1). Le portail nord se trouve sur le plaine de Magadino, sur le territoire de Camorino à une altitude de env. 220 m, tandis que l’entrée sud se trouve à Vezia à une altitude d’env. 320 m. Pour des questions techniques et logistiques, une grande partie de l’excavation sera faite à partir de la jonction intermédiaire de Sigirino, où à travers une galerie de 2,3 km (fenêtre de Sigirino), l’on rejoint le cœur du chantier: «la caverne opérative centrale». Les spécialistes de la mensuration ont été impliqués au projet depuis le début des années ‘90 du siècle dernier, par la réalisation d’une cartographie de base nécessaire au développement de l’avant-projet du tunnel et des voies d’accès. La photogrammétrie aérienne a été la technique de relevé la plus utilisée, celle-ci a permis de réaliser, dans des temps brefs, des modèles topographiques précis du vaste périmètre intéressé et des centaines de profils et sections du terrain à mettre à disposition des groupes de travail impliqués directement par le projet.

En 1995 les CFF lancèrent un appel d’offre public pour attribuer le mandat de géomètre du maître d’oeuvre, et de ce fait la responsabilité des travaux de mensurations liés à la réalisation du tunnel. La tâche fut attribuée à COGESUD, un consortium à 100% tessinois composé de 5 bureaux d’ingénieurs spécialisés dans la mensuration (voir encadré). La première phase des travaux de COGESUD regardait la réalisation des réseaux

des points fixes de référence, c’est à dire une ossature sûre, sur laquelle seront basés tous les travaux de mensuration future. Tout de suite après fut réalisé le premier tunnel («tunnel de prospection» de Sigirino, long 2,7 km), nécessaire aux travaux d’enquêtes et de prospections géologiques et géotechniques. Les spécialistes de COGESUD furent appelés à exécuter les premiers relevés dans le tunnel, indispensables pour guider avec précision l’excavation jusqu’à la position du futur site central des opérations. En suite et jusqu’à aujourd’hui, COGESUD a accompli son travail contractuel de soutien au maître d’oeuvre (devenu par la suite Alptransit San Gottardo SA) s’occupant des divers problèmes liés à la mensuration, du côté conceptuel, comme du côté exécutif et logistique. L’interlocuteur direct est COGESUD est la Section «Géomatique» du maître d’oeuvre (ATG-Géomatique). Avec le début de l’excavation du lot principal du Monte Ceneri au cours de l’an 2010, les travaux entrent dans leur phase la plus complexe et fascinante.

Réseaux des points fixes Réseau Sud Le réseau planimétrique de base pour l’exécution du tunnel Monte Ceneri est

Fig. 1: Schéma du tunnel de base du Ceneri. 71

AlpTransit Gotthard

SIGIRINO CAOP-W Controllo Profili COGESUD Data Asse 25.03.09 Direzione di vista = avanzamento del CAOP-W

Graphik des Messprofils Massstab 1:75 Stationierung Profil ID DBNr. STNr. Vermesser Messdatum Instrument

68 0.

0.6

4 0.5

50 0.36 0.21 0.15

0.62

0 0.2

0.26

0.58 4

0.26

0.58

0.26

0.59

0.28

0.57

0.27

0.51 2

: CAOP-W.3 35cm (No. 2) : 0.000 % : CAOP-W.3 (No. 1)

0.6

0.58

0.6 4

0.69

0.67

0.68

0.29

0.67

0.57

0.65

0.59

0.36

0.4

0.22

0.40

0.20 0.34 0.18

0.28

0.18

-0.00

0.16

0.07

0.14

0.18

0.02

0.01

0.02

0.01

0.02

0.01

0.00

0.01

-2

-4

-6

Misurazione parete grezza Referenzprofil A: CAOP-W.3 35cm NB: Dati del progetto asse "piano ITC.PES.851.0301B"

-8

Fig. 3: Schéma de la polygonale générale.

5 0.2

Réseau Sud altitude Dans le domaine de la construction du tunnel de base du Monte Ceneri était également nécessaire, un cadre de référence altimétrique pour les travaux de nivellement externe et souterrain. En tant qu’opération préliminaire, COGESUD a commissionné à l’Office fédéral de topographie (swisstopo) la charge de l’évaluation des facteurs qui déterminent l’écart théorique au moment de la connexion des avancements du tunnel, d’ une façon spécifique l’influence gravimétrique et l’ influence d’éventuelles tensions entre les points fixes altimétriques du cadre de référence nationale LF02. Le rapport de Swisstopo conclut que les différents paramètres se compensent en grande partie et débouchent sur une erreur théo-

0.50

7 0.2

constitué par le Réseau Sud, il se compose de 24 points fixes situés entre Biasca et Lugano et fait partie du réseau de référence générale de AlpTransit entre Erstfeld et Lugano. Les travaux complets de détermination de ce réseau ont été commencés par AlpTransit San Gottardo, déjà au milieu des années ‘90. Vu l’importance des travaux, dans un premier temps a été impliquée aussi l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETHZ). Diverses campagnes de mensuration avec les méthodes satellitaires et terrestres ont été portées à terme et plusieurs variantes de calcul ont été nécessaires afin d’obtenir des bases géodésiques de référence les plus homogènes et fiables possibles. La précision interne de ce réseau est de ± 1 cm.

0.6

0.57

0.5

: 717'495.452 m : 104'510.849 m : 274.692 m

Auswertung Referenzprofil A Querneigung Referenzprofil B

0.63

: 282.568 m : TM282.5 :6 : 1282 : Cattaneo : 10.5.2009 11:57 : TCRP1201 (SN: 213609)

Koordinaten der Achse Ost Nord Höhe

Fig. 2: Implantation dans le tunnel.

Réseaux de portail et de chantier Pour pouvoir garantir une implantation parfaite des points principaux dans le tunnel et aussi pour harmoniser d’une façon précise toutes les constructions annexes, il est nécessaire d’avoir une densité plus grande, du nombre de points fixes. Pour cette raison, aux entrées du tunnel, le réseau de base a été multiplié, donnant forme respectivement aux réseaux de portail (de haute précision, déterminant pour l’implantation du tunnel) et aux réseaux de chantier (avec moindre exigence, plutôt pour les besoins des constructions externes). Dans ces réseaux doit être maintenue la vue libre entre les points (pas toujours évident sur les chantiers complexes) aussi bien que sur certains points lointains nécessaires à l’orientation. La stabilité de la zone où doivent être posés les nouveaux points de la mensuration a été évaluée avec la contribution des géologues. À fin 2005 les réseaux altimétriques du chantier ont été mesurés avec un nivellement. Ce nivellement comprend quelques points altimétriques fédéraux et les nouveaux points principaux, ancrés dans la roche près des portails. Sur la traite Biasca-Lugano ont été matérialisés en tout 42 nouveaux points altimétriques principaux. Les points altimétriques fédéraux ont été

0.3 2

0.62

0.2 0.47

0.24

0.70

0.52

0.23

rique acceptable. Il a été donc décidé que l’utilisation dans le cadre de référence LF02 aurait permis d’atteindre la précision requise. En juillet 2004 des mesures de nivellement aux trois portails ont été réalisées pour vérifier des éventuels tassements locaux entre les groupes de points fixes LF02. Les vérifications ont mis en évidence seulement quelques mouvements négligeables.

COGESUD c/o Gisi e Bernasconi SA Via Lugano 2A 6924 Sorengo Tel +41 91 960 17 50 Fax +41 91 960 17 55

Fig. 4: Contrôle des profils d‘excavation. utilisés comme points d’appui, mais le réseau a été préservé de tension par l’exécution d’un calcul libre. Les différences sur les altitudes officielles sont inférieures à 3 mm. Par la suite, les réseaux planimétriques de portail et de chantier à Sigirino, Camorino et Vezia ont été déterminés au cours des années 2007 et 2008. Ceux-ci ont été intégrés dans le réseau de base, par l’intermédiaire des mensurations satellitaires et terrestres. Portail de Sigirino Une grande partie du tunnel est implantée Depuis Sigirino et c’est pour cela que le réseau du portail a une importance particulière. Le réseau de base était partiellement densifié à l’occasion de l’implantation du tunnel de prospection, mais pour la nouvelle fenêtre d’accès quelques modifications importantes ont été nécessaires. Quatre nouveaux points ont été ajoutés, notamment le point de portail principal, situé sur un promontoire sur le prolongement de la fenêtre, duquel part la polygonale pour le relevé du tunnel. De plus, une base de référence pour le gyroscope a été fixée, qui servira ensuite à des contrôles d’orientation indépendants durant les travaux en tunnel. Cette base de référence mesure environ 500m et comprend deux pilastres au sud de la zone du portail. Portail de Camorino (Vigana) Selon les plans des travaux prévus, seulement quelques centaines de mètres de tunnel seront creusés à partir du portail

04.06.2009 10:16 TMS OFFICE

AlpTransit Gotthard

Fig. 5: Surveillance sur le chantier. de Camorino. En fonction des autres avancements, la possibilité d’un prolongement optionnel de 2 km en direction Sud reste ouverte. A Camorino trois nouveaux bloquins de mesure situés dans la roche sur le flanc de la montagne au-dessus des portails ont été construits. Cette déclivité représente l’unique zone environnante géologiquement stable. Les nouveaux points fixes créent ainsi une bonne base pour la détermination des points nécessaires du portail sur la plaine de Magadino, lesquels sont situés dans une zone alluvionnaire sujette à un tassement. Ils ne peuvent donc pas être considérés comme stables et doivent être déterminés de nouveau à chaque intervention. Portail de Vezia L’entrée de Vezia, constituée de portail, tunnel artificiel et tunnel naturel, mesure au total environ de 500 m de longueur. L’implantation du tunnel naturel part du portail, car le tunnel artificiel sera construit dans un deuxième temps dans la tranchée excavée préliminairement. La situation externe ne laisse pas une grande marge de manœuvre pour la mise en place d’un réseau stable et sûr. Un point fixe a été posé sur le seul affleurement de roche existant le long du chemin de fer au nord du portail. Le point du portail a été posé assez loin dans un pré dans le prolongement du futur axe du tunnel, au delà de l' autoroute en direction de Lugano.

Fig. 6: Tranchée de Vezia. La particularité de ce chantier est de se superposer, spatialement et chronologiquement, à celui du tunnel routier Vedeggio-Cassarate. Cette situation a requis un effort important de coordination entre les deux chantiers aussi de la part des responsables de la mensuration.

Implantation des points principaux en tunnel L’implantation des points fixes dans le tunnel est peut-être le travail plus délicat et dans le même temps plus fascinant de COGESUD (figure 2). En effet tout le travail des entreprises employées sur la construction, se base sur ces points pour orienter

d’une façon correcte la direction des travaux excavation. En qualité de géomètre du maître d’œuvre, COGESUD doit garantir que l’excavation du tunnel soit d’une précision centimétrique, comme il a été projeté: au moment de la rencontre des fronts d’avancement, l’erreur de percément maximale consentie est de 25 cm! Les points fixes à l’intérieur du tunnel sont matérialisés environ chaque 200 m avec un boulon sur fond rocheux, avec un regard de protection. D’autres points de repères, qui servent a vérifier la stabilité des points principaux, sont appliqués sur les parois. L’altitude des points principaux dans le tunnel est déterminée par un nivellement rattaché aux points fixes altimétrique du réseau de portail.

Fig. 7: Représentation de la décharge de Sigirino. 73

AlpTransit Gotthard

Pour la détermination planimétrique, on mesure une polygonale complexe (figure 3), avec des stations à centrage forcé . Cette polygonale part d’un point du portail et comprend des références multiples et répétées sur le plus grand nombre possible de points, de façon a obtenir la redondance nécessaire et réduire au minimum le risque d'erreur. Partant du point du portail l’on mesure toutes les visées vers les points du réseau de portail et vers les premiers points du réseau souterrain, de façon a obtenir un une jonction très sûre entre l'extérieur et l’intérieur. Puis, à l’intérieur du tunnel, il n' y a plus la possibilité de contrôle sur des points externe et tout doit se baser sur la précision et sur la fiabilité des mesures. Les règles de sécurité pour éviter des erreurs sont très nombreuses, mais souvent simples. Par exemple l’on mesure au moins deux fois la hauteur de l' instrument ou l’on calculera le temps nécessaire pour acclimatation des instruments en cas de changement de température. Tous les détails sont importants et doivent être notés! Dans la phase de calcul on évalue de la précision interne de la mensuration effectuée par l’intermédiaire d'une compensation libre. Dans de rare cas, et seulement sur la base de solides motivations, des mesures contradictoires peuvent être éliminées. Par la suite, l’on contrôle si le modèle stochastique, contenant tous les paramètres de précision (sur la base de l’instrument utilisé et à la condition de travail) est correct et l’on procède à la compensation globale, dans laquelle sont intégrés aussi les autres paramètres techniques et spécifiques, comme la déviation de la verticalité, l’ondulation du géoïde et la réduction des distance due à la projection cartographique de la Suisse.

Vérification du profil d’excavation Les vérifications des profils d'excavation (parois brute) ou des divers revêtements sont souvent combinées avec l’implantation des points principaux du tunnel. 74

Sur demande de la direction des travaux, partant des coordonnées des points connus, les profils sont relevés avec un système de mensuration au laser. Ces profils sont ensuite élaborés avec le support de programmes informatiques spécifiques (TMS) et confrontés avec des profils de référence définis dans le projet (figure 4). De cette façon il est possible d’évaluer la précision de l'excavation et quantifier le volume de revêtement (béton) nécessaire.

Monitorage des constructions Autre tâche importante de COGESUD est la surveillance de la stabilité des constructions à ciel ouvert qui accompagne la construction du tunnel de base du Monte Ceneri. Dans la catégorie des objets à surveiller (monitorer) on trouve des centaines d’édifices ou constructions existantes dans la zone sensible du projet, pour les quelles sont constitués des «constats pour preuves à futur» où sont documentés, à l’aide de relevés topographiques précis, l’état actuel des choses et leur développements au cours du temps. Outre les objets existants, doivent être surveillés en cours de construction nombreux objets nouveaux comme murs, viaducs ou autres constructions qui font partie des oeuvres annexes au tunnel dans la zone des portails ou le long de la ligne ferroviaire (figure 5) Parmi cela nous pouvons citer le monitorage de la tranchée de Vezia (figure 6). L’élaboration de ce projet de surveillance n’a pas été simple, car toute la zone concernée est potentiellement instable (à cause notamment des deux grands chantiers en cours) et donc la localisation des points fixes a causé beaucoup de problèmes. En outre l’excavation relativement profonde (plus de 20 m), la courbure du tunnel, les installations et les activés du chantier ont empêché beaucoup la visibilité. En dépit de cette situation, les exigences des responsables du projet à reconnaître éventuels mouvements des points de surveillances étaient très hautes (déviations standard simple pour la dé-

Fig. 8: Laserscan de la tranchée de Vezia. termination des points ± 1–2 mm). Avec un ajustement du réseau de chantier et une configuration complexe de points fixes auxiliaires et station de mesure (dont la position était à déterminer à chaque intervention), il a été possible de créer un réseau de surveillance adapté au but. Le rythme des relevés a été bimensuel au début de l`excavation et a ralenti par la suite, jusqu'aux actuelles interventions trimestrielles. Un autre exemple de monitorage complexe concerne la «parois à palissades ancrées», construite, toujours dans le chantier de Vezia, à une centaine de mètres au sud de la tranchée. Comme en amont de la paroi se trouve la ligne ferroviaire CFF, qui reste constamment opérative, il est important d’en contrôler régulièrement la stabilité. Avec des relevés trigonométriques appuyés sur les point fixes du réseau de portail, COGESUD rend compte actuellement chaque deux semaines aux ingénieurs responsables du projet des déplacements de quelques points choisis de la parois. La précision requise pour la détermination des coordonnées est analogue à celles des points de la tranchée.

Contrôle d'implantations et relevés spéciaux COGESUD, en tant que géomètre du maître d’œuvre, est aussi mandaté par Alptransit San Gottardo SA de vérifier que toutes les constructions soient réalisées à la place juste, avec la précision requise par

AlpTransit Gotthard

Membres du consortium • Gisi e Bernasconi ingegneria e misurazioni SA Via Lugano 2a, 6924 Sorengo • Studio Meier SA Via Architetto Frizzi 26, 6648 Minusio • Studio d’ingegneria Antonio Barudoni Via San Gottardo 20, 6600 Muralto • Studio d’ingegneria Antonio Bottani Via Stazione 7, 6987 Caslano • Studio d’ingegneria Maderni-Capezzoli-Forrer Sagl Via San Salvatore 3, 6900 Massagno Caractéristiques du consortium • Personnel spécialisé et expérimenté 12 ingénieurs / 40 collaborateurs techniques / 8 collaborateurs administratifs • Gamme complète di prestations en matière de mensuration mensurations géodésiques classiques / photogrammétrie / laser scanning terrestre • Rapidité d’intervention et flexibilité ca. 150 interventions (5000 heures) / année Tâches contractuelles • Mettre à disposition les données de base géodésiques et topographiques nécessaires pour la mise en projet et la construction du tunnel et des œuvres annexes. • Vérifier que toutes les installations prévues soient réalisées au bon endroit et avec la précision requise. • Reconnaître et surveiller des éventuelles déformations concernant le terrain et autres objets intéressés, avant, pendant et après l’exécution des travaux. Activités principales • Détermination de réseaux de points fixes réseau base / réseau de portail / réseau de chantier • Implantation des points de repère principaux et contrôle des profils d’excavation dans le tunnel • Contrôle des implantations des entreprises de construction pour les œures à ciel ouvert et pour les installations de technique ferroviaire • Preuves d’état pour l’avenir et monitorage des artefacts et œuvres annexes nivellement / relevés trigonométriques / relevés photographiques • Implantation des surfaces à exproprier et des profils de construction pour la mise à l’enquête • Relevés spéciaux pour les ingénieurs responsables du projet modèles topographiques / scansion laser / restitution photogrammétrique / orthophoto

les ingénieurs responsables du projet. Cela signifie, que la position et l’altitude de tout ce qui est construit sur le chantier doivent être régulièrement contrôlées. Ces interventions sont coordonnées par la direction des travaux locale, qui joue un rôle précieux et efficace d’intermédiaire entre entreprises de constructions, ingénieurs responsables du projet et COGESUD. Au cours du temps, les spécialistes de la mensuration ont été aussi chargés d’exécuter des relevés particuliers: par exemple, la production d’un modèle 3D du dépôt de matériel d’excavation de Sigirino. Un film virtuel a été réalisé, faisant apparaître la situation à la fin des travaux (figure 7). Une autre technique de relevé particulière est celle de la scansion laser terrestre. Appliqué dans le cadre des «constats pour preuves à futur» pour documenter, par exemple, l'état du revêtement et la géométrie d’une route, ou bien, dans le cas de la tranchée de Vezia, pour une détermination précise des volumes et des profils excavés (figure 8). Enfin on ne peut pas oublier le travail lié au contrôle d’implantation des installations de technique ferroviaire dans le tunnel, chronologiquement encore lointain, mais qui du point de vue de la mensuration, constitue un dernier défi très important. En effet, les points de repère des rails devront être déterminés avec précision sub-millimétrique et serviront ensuite aux CFF, dans les années prochaines, pour les travaux de manutention de la ligne, sur laquelle devront circuler les trains, en toute sécurité, à plus de 200 km heure!

Cristiano Bernasconi dipl. ing. ETH Projektleiter Konsortium COGESUD Via Lugano 2a CH-6924 Sorengo info@aggeo.ch 75

AlpTransit Gotthard

Géomonitorage au portail nord du tunnel de base du Ceneri La construction du passage sous l'autoroute A2 constitue l’un des grands défis dans la section nord du tunnel de base du Ceneri. Hormis les mensurations manuelles, un système de monitorage automatique se trouve au centre de la surveillance de l’autoroute A2 durant les travaux de construction du passage. Pendant les deux années de travaux de percement, le système de monitorage assurait la sécurité du trafic de transit sur l’autoroute A2.

Th. Heiniger Dans le nord du ceneri, le tracé des NLFA, tel qu’il est planifié, monte par un viaduc dans la plaine alluviale de Magadino sur la hauteur de l’entrée du tunnel. Cette entrée se trouve directement sous la plus importante route de transit NordSud, l’autoroute A2. La plaine alluvviale est rudement éprouvée par la construction du tracé. Dans le passé, elle a provoqué des affaissements allant jusqu’à 1.2 m lors de divers projets de construction. Pour éviter ces affaissements prévus, toute la plaine est remblayée dans la zone du futur tracé avec des matériaux d'excavation provenant du tunnel de base du Gothard. Pour vérifier les conséquences de cette charge et pour garantir la sécurité de l’autoroute A2 durant la construction du passage par le tunnel de base du Ceneri, il a été décidé de surveiller la région en se focalisant sur le passage sous l’autoroute A2. Le passage est situé dans les 50 premiers mètres du tunnel dans le matériel d’excavation de la digue d’autoroute.

à Regensdorf et sont déjà mandatées par AlpTransit Gotthard AG de surveiller la région autour de trois barages au-dessus du tunnel de base du Gothard. Surveillances manuelles L’affaissement de la plaine est périodiquement surveillée en plus de 110 points. A cette fin, des tassomètres ont été installés au début du remblayage, qui ont été surelevés à mesure que le remblayage augmentait. Les relevées des tassomètres sont effectués géodésiquement à l’aide de tachymètres en se référant à un système de référence supérieur. Les affaissements maximales dans cette zone sont de 90 cm, ce qui correspond aux prévisions de l’ingenieur de projet. Lors

de la même procédure de relevées, les points situés sur le remblai CFF existant, y compris le pont,étaient contrôlés. L’intervalle de mesure est adaptée de manière flexible aux activités de construction, le rythme normal étant de 14 jours. Ces relevées permettent d’obtenir des informations à long terme et sur une grande surface concernant les tassements . Surveillance automatique de l‘A2 Pour la surveillance du passage sous l’autoroute A2, le système DC3 Monitoring system à base de réseau est utilisé. Il saisit les déformations relevantes dans la zone de l’autoroute et, lors de dépassements des valeurs limites, assure par un système d’alarme la sécurité de l’axe Nord-Sud le plus important. Dans la zone de deux piliers de viaduc projetés dans la plaine de Magadino, des mesures de tassement et de niveau d’eau dans le soussol sont connectés au système de monitorage. Ceci permet de contrôler le comportement de tassement durant le remblayage à différentes profondeurs jusqu’à 60 m. Monitorage géodésique à la surface Tout au long de l’autoroute A2, dans les talus et dans la zone de l’entrée du tun-

Lot704: Monitorraggio sedimenti Un appel d’offre public a été lancé pour la surveillance en tant que lot séparé. Ce sont IG Ceneri-Monitor, et BSF Swissphoto, sous la direction de Amberg Technologies, qui ont obtenu le mandat de monitorage pour les zones décrites ci-après. Les deux entreprises ont leur siège social 76

Fig. 1: Vigana: Vue sur le le portail nord de Vigana, par-dessus lequel passe l’autoroute A2 – l’un des deux principaux axes de transit de la Suisse.

AlpTransit Gotthard

l’eau dans les différentes couches des les nappes aquifères du corps du barrage. Les tachymètres mesurent la valeur absolue des variations et tassements des trous de forage, permettant ainsi de mieux interpréter les résultats des mesures de forage et de les comparer avec les relevées géodésiques.

Fig. 2: Pilier de mesure: Monitorage automatique le long de l’autoroute A2 – le système détecte les mouvements avec une sensibilité de 3 mm. nel projeté, 48 prismes sont installés, qui sont mesurés une fois par heure par deux stations totales du type Leica TCA1800. Ces données servent à saisir les déformations à la surface. Ce système, qui couvre en particulier l’observation de longue durée du corps de la digue, détecte des mouvements avec une sensibilité prédéfinie de 3 mm, ce qui pose des exigences élevées à la stabilité du système. L’observation de longue durée démontre que ces exigences élevées sont respectées dans de bonnes conditions météorologiques. Pour surveiller la stabilité à long terme des points fixes, quatre points GPS additionnels ont été installés.

• Dans deux trous de forage verticaux contenant 3 senseurs chacun pour les mesures de longeur • 2 trous de forage en amont contenant 5 senseurs de piézomètres chacun Les inclinomètres horizontaux reliés mesurent les tassements du sol, les inclinomètres verticaux biaxiaux mesurent les déplacements transversaux en deux axes. Les senseurs de changement de longeur indiquent les déplacements le long des trous de forages horizontaux et donc les tassements dans le sous-sol. Les mesures des piézomètres indiquent la pression de

Evaluation Les relevées automatiques directement analysées et gérées par le système sur le terrain. Ceci permet de générer automatiquement des graphiques après chaque opération de mesures. Ces graphiques sont chargées à intervalle prédéfinie sur le portail de visualisation des données GEOvis d’Amberg Technologies. Les responsables du projet sont dès lors en mesure de consulter à tout moment les grahiques les plus actuels et de rechercher les données archivées. Les relevées manuelles sont évaluées dans la journée et les diagrammes sont rendus accessiblessur GEOvis. Système d’alerte L’ingénieur de projet à défini desvaleurs limites à deux niveaux pour les mouve-

Monitorage géeotechnique dans le sous-sol Les tachymètres ne sont pas adaptés pour saisir aussi rapidement que possible des mouvements liés à un évènement survanant subitement. Ces mouvements sont dès lors enregistrés par un réseau dense de senseurs géotechniques dans une intervalle d’environ 3 minutes. Ces senseurs ont été installés dans des trous de forage horizontaux de jusqu’à 50 mètres de longueur à une hauteur entre 4 et 8 mètres sous la chaussée. Des trous de forage de 30 mètres de profondeur of été équipés de senseurs en aval du corps de la digue. Les senseurs suivants ont été utilisés: • 4 trous de forage horizontaux avec 70 inclinomètres uniaxiauxs reliés • 6 trous de forage verticaux avec 75 inclinomètres biaxiaux reliés

Fig. 3: GEOvis: A l’aide de l’interface web GEOvis, les relevés peuvent à tout moment être consultés interactivement. 77

AlpTransit Gotthard

ments maximaux autorisés. Si lors d’une opération de relevées un dépassement de ces valeurs est constatée, les sysème de moniotorage envoie automatiquement une alerte par SMS et message vocal aux personnes responsables. Les recepteurs sont obligés d’accuser réception du message, faute de quoi les messages sont transmis aux personnes qui les remplacent. En cas d’alarme, les graphiques actualisés sont immédiatement rendus accessibles sur GEOvis et permettent aux responsables du projet d’interpréter la situation. Conclusion Les mesures automatiques ont débuté environ une année avant la construction du tunnel. Ceci est indispensable dans des projets de monitorage aussi complexes pour acquérir de l'expérience avec le système et de se familiariser avec son comportement dans des conditions environnementales variées. En novembre 2008, le système d’alarme a été réglé à l’échelle «élevée» et la phase critique de la construction du passage sous l'autoroute a été effectuée avec succès en milieu

d’année 2010. Les tassements mesurés de maximum 14 cm se situaient dans les prévisions calculées de l’ingénieur de projet. Grâce à des vérifications internes du système, les fausses alarmes pouvaient être évitées à deux exceptions près. Alors quel es senseurs géotechniques étaient largement préservés par les conditions environnementales, ce qui garantissait à tout moment la fiabilité du système d'alerte, différents défis se posaient dans le domaine des mesures géodétiques. La croissance rapide de la végétation et les forts embruns en cas de pluie demandaient un plus grand effort pour libérer les lignes de vision et pour nettoyer les prismes. Des chutes de neige particulièrement fortes empêchaient partiellement la vue dégagée sur les prismes et nous avons également été confrontés à la destruction de points de mesures due à des accidents sur l’autoroute, des activités de construction et des actes de vandalisme. Pour conclure, on peut relever que le système de relevés et d’alerte a pleinement prouvé son efficacité, même si le service de garde 24h/24 représentent une charge importante pour le personnel de IG Ce-

neri-Motor. De ce fait, aussi bien toutes les personnes impliquées dans le projet que les spécialistes de monitorage de IG CeneriMonitor sont soulagés que la construction du passage sous l’autoroute A2 ait pu être achevée avec succès. Ces derniers se réjouissent de retrouver une vie sans téléphone portable près du lit.

Thomas Heiniger Amberg Technologies AG Trockenloostrasse 21 CH 8105 Regensdorf-Watt theiniger@amberg.ch

AlpTransit Gotthard

Mesures astro-géodésiques des déviations de la verticale et des azimuts pour AlpTransit Avant le début des travaux du chantier du siècle du tunnel de base du Gothard, une large étude de faisabilité et une analyse des précisions des travaux de mensurations sont nécessaires. Afin d’assurer et d'augmenter la fiabilité d’un travail de mensuration, toutes les techniques de mesures disponibles doivent être prise en considération. De plus, les effets systématiques du champ de pesanteur qui affectent les observations dépendantes de la verticale, telles que les mesures tachéométriques, gyroscopiques ou de nivellement doivent être connus ou déterminés avec la plus grande précision. Cela se traduit par une connaissance précise du géoïde, des déviations de la verticale et de l’accélération verticale de la pesanteur g. Le présent article décrit les mesures astro-géodésiques de contrôle conduites par l’EPFZ en été 2005 pour le consortium de mensurations VI-GBT. Ceci, dans le but de vérifier les valeurs des corrections appliquées aux mesures gyroscopiques. D'autre part, le modèle du géoïde CHGeo98 utilisé dans ce projet a dû être validé pour savoir s’il permettait d’atteindre la précision désirée ou si de nouvelles mesures de déviations de la verticale combinées avec le nouveau modèle du géoïde CHGeo2004 étaient nécessaires.

B. Bürki, S. Guillaume

1. Introduction La conduite de l'ambitieux projet de la nouvelle transversale alpine ferroviaire (NEAT), et de son tunnel de base du Gothard, est dépendante de nombreux facteurs. En plus des questions technico-financières et des décisions parlementaires, d’innombrables questions sur la conduite du travail du point de vue technique, économique et écologique doivent être résolues. Pour cela, de nombreux planificateurs, ingénieurs, géologues, hydrologues experts en énergie et en trafic, spécialistes en ingénierie minière, juristes et ingénieurs en géomatique sont impliqués dans la résolution des problèmes. Du point de vue des techniques de mensuration, se pose le défi du respect des conditions de précision imposées par le maître d’œuvre. Afin de pouvoir maintenir ces exigences, toutes les sources d’erreurs et leurs effets sur les précisions finales doivent être étudiés et introduites

dans le cahier des charges des specialistes en mensuration. La réalisation d’un ouvrage comme le tunnel de base du Gothard, d’une longueur de 57 km, longueur jamais atteinte à ce jour au niveau mondial, pose un défi majeur à la mensuration. Malgré la division de l’ouvrage en cinq segments, atteignant un maximum de 16.8 km (chantier FaidoSedrun), un grand défi reste posé quant à la qualité des mensurations. A la suite de complications dues aux conditions environnementales des chantiers, les calculs préliminaires des directions d’avancement des machines de percement (TBM) doivent être faites avec grand soin et avec une prise en compte de toutes les sources d’erreurs (Haag et. Al. 1996, Stengele 2007, Schätti und Ryf 2007). Le report de l'orientation du réseau du portail vers le front des percements résulte de mesures de directions issues de lignes polygonales ouvertes et superposées. Le consortium, mensuration tunnel de base du Gothard (VI-GBT) mandaté par le maître d’œuvre pour tous les travaux de mensuration, a déterminé à l’aide de cal-

culs de préanalyse de réseaux géodésiques les erreurs moyennes de percement aux différents points de rencontre, soit 10 cm (1 sigma) sur la composante latérale et 5 cm sur la composante altimétrique. De plus, les coordonnées planimétriques doivent être déterminées avec une fiabilité externe de 25 cm (erreur maximale admissible) et de 12.5 cm pour les altitudes (Haag et. al. 1996, Stengele 2007). Ces exigences de précision et de fiabilité ne peuvent être atteintes que grâce à des méthodes indépendantes comme par exemple des mesures gyroscopiques. En outre, les mesures gyroscopiques sur les bases de calibration aux portails ont pu être contrôlées de façon indépendante et efficace grâce aux mesures d’azimuts astronomiques et de déviations de la verticale, ce qui augmente la fiabilité de l’ensemble des travaux de mensuration. Dans le contexte d’une construction souterraine comme le tunnel de base du Gothard, l’effet du champ de pesanteur terrestre joue un rôle important dans les mesures. L’empreinte visible du champ de pesanteur apparaît sous la forme d’une déviation de la verticale qui s’exprime par une déviation locale de la normale à l’ellipsoïde de référence. Cette déviation est habituellement décrite par deux composantes: Nord-Sud et Est-Ouest Composante Nord-Sud: ξ = Φ − φ Composante Est-Ouest: η = (Λ − λ) cos(φ)

(1) (2)

Avec Φ,Λ = Latitude et longitude astronomiques déterminées par procédés astro-géodésiques (par ex. à l’aide d’une caméra zénithale) ou calculées sur la base de points de référence et de modèles digitaux de masses. φ, λ = Latitude et longitude géodésiques (ellipsoïdales) déterminées par GNSS ou à partir des coordonnées cartésiennes transformées sur l’ellipsoïde de référence. L’obliquité de la verticale physique, relative à la verticale mathématique, influence 79

AlpTransit Gotthard

les observations angulaires car l’axe principal de l'instrument est lié à la verticale physique du lieu. Une correction de direction dr provenant de la déviation de la verticale, respectivement de l’obliquité de l’axe principal de l'appareil, dépend de l’azimut α de la visée et de l’angle zénithal z. dr = – (ξ⋅sin α – η⋅cos α)⋅cot(z)

(3)

L’équation de Laplace décrit la différence dA entre les azimuts astronomiques et ellipsoïdaux: dA = – η ⋅ tan φ – (ξ⋅sin α – η⋅cos α) ⋅ cot(z)

(4)

Dans le passé, le défaut de verticalité de l’axe principal de l’instrument n’était pas éliminable, par conséquent il n’était pas possible de le séparer de l’influence systématique de la déviation de la verticale. Les instruments modernes, comme les tachéomètres et les stations totales, équipés de compensateurs bi-axiaux (mesures d’inclinaison) permettent de mesurer le défaut de verticalité de l’axe principal et de corriger les observations (pour autant que le compensateur soit enclenché). Par conséquent seule la déviation de la verticale influence les mesures selon la formule (4). Lors de la réduction des azimuts mesurés par gyroscope à l'aide des composantes ξ et η de la déviation de la verticale, il faut également tenir compte de la courbure de la ligne de pesanteur. Par exemple, une comparaison effectuée au puits vertical de Sedrun montre que la déviation de la verticale sur les 800 m séparant le haut du bas du puits varie de –6.1cc (–0.61 mgon) dans la direction Nord-Sud et de –3.2 cc (–0.32 mgon) dans la direction Est-Ouest. Ces valeurs rapportées à la hauteur du tunnel donnent, après une analyse exacte selon la formule de Laplace, les corrections suivantes. Premier terme: de –49cc à +20cc Second terme: de –0.11 cc à +0.05 cc, pour des visées à 0 degré (azimut), et de 80

–0.35 cc à +0.11 cc (pour des visées avec un azimut de 90 degrés). Ces valeurs montrent que le premier terme est significativement plus grand que la précision des mesures. Il est par conséquent indispensable d’en tenir compte pour réduire les azimuts gyroscopiques mesurés sur l’ellipsoïde de référence du système suisse. Ceci afin de les comparer aux azimuts du réseau de base déterminés par GNSS. Le second terme peut être négligé car significativement plus petit que la précision des mesures. Théoriquement, il existe d’autres corrections dont il faut tenir compte. Corrections indépendantes des instruments. • Position momentanée de l’axe de rotation de la terre 씮 Réduction à la valeur moyenne de la position du pôle. Pôle CIO (Conventionnel International Origin). • Convergence des méridiens 씮 Réduction au nord de la carte. • Altitude au-dessus de la mer du point visée (Obliquité de la normale à l’ellipsoïde au point visée par rapport à la normale à l’ellipsoïde à la station). • Réduction de la direction EllipsoïdeSphère-Plan (ligne géodésique-grand cercle-droite dans le plan de projection). Corrections instrumentales du gyroscope • Correction du point zéro (calibration). • Correction de l’effet de la dérive (comportement temporel de la valeur de calibration). • Prise en compte des variations de température. Pour le travail in situ, cela signifie que le géomètre ou le géomaticien chargé des mesures doit régulièrement effectuer, dans de bonnes conditions, des mesures de contrôle et doit absolument avoir une connaissance du champ de pesanteur local.

2. Le champ de pesanteur dans la région du tunnel de base du Gothard 2.1 Déviations de la verticale Les déviations de la verticale peuvent être observées directement sur le terrain (par exemple à l’aide d’une caméra zénithale) ou calculées sur la base de modèles de masses et de terrain. La précision atteignable dépend de la qualité et de la densité du réseau de stations de mesures du champ de gravité. En Suisse, il existe un réseau de 650 stations d’observations de la déviation de la verticale destinées à la détermination du géoïde. Ceci constitue la base pour l’interpolation des déviations de la verticale en un point quelconque du territoire, avec une précision comprise entre 0.8’’ et 1.0’’. Dans le cadre de ce projet, les déviations de la verticale ont été calculées le long de l’axe du tunnel grâce au modèle de géoïde CHGeo98. La représentation graphique de la figure 1 montre les variations des déviations de la verticale, de même que les positions des stations astro-géodésiques de l’ETHZ dans le secteur du projet. Un profil des déviations de la verticale, basées sur des calculs issus d'un modèle de géoïde le long de l’axe du tunnel, est donné à la figure 2 2.2 Cotes du géoïde Les déterminations planimétriques des points fixes s'effectuent aisément en se référant à la surface mathématique du datum géodésique de la mensuration nationale suisse, soit l’ellipsoïde de Bessel. Pour la détermination des altitudes, la surface de référence n’est plus mathématique mais physique, c'est le géoïde. En effet, le géoïde n’est plus modélisable aussi facilement qu’un ellipsoïde car il est dépendant de la répartition des masses de la terre et est, de ce fait, très corrélé avec la topographie. C’est pour cette raison qu’en principe les déterminations planimétriques et altimétriques sont calculées séparément comme dans le logiciel de calcul de compensation LTOP. Dans le projet Alptransit, le cadre de référence altimétrique NF02 avec la prise en compte

AlpTransit Gotthard

Fig. 1: Variations des déviations de la verticale à l’altitude du tunnel de base du Gothard. Les étoiles jaunes représentent les positions des stations de mesures astro-géodésiques par caméra zénithale et les flèches bleues montrent les azimuts astronomiques mesurés. des nouvelles altitudes orthométriques rigoureuses RAN95 a été utilisé. La surface de référence correspondante est issue du modèle de géoïde CHGeo98. La figure 3 montre le profil du géoïde le long de l’axe du tunnel.

3. Les mesures astrogéodésiques de contrôle de l’EPF Zurich Le laboratoire de géodésie et géodynamique de l’EPFZ (GGL), au travers du

Fig. 2: Variations des déviations de la verticale avec ses composantes ξ et η le long de l’axe du tunnel.

consortium «Pesanteur suisse», a reçu du VI-GBT (renommé depuis le 1.9.2010 ATG géomatique) une mission de validation et de contrôle des déviations de la verticale et des valeurs des corrections pour les mesures gyroscopiques. Cette mission a consisté en des mesures des déviations de la verticale et d’azimuts astro-géodésiques sur les réseaux de calibration des portails de Amsteg, Bodio, Erstfeld, Faido et Sedrun (voir la figure 1). 3.1 Mesure des azimuts Les mesures astro-géodésiques des azimuts ont été réalisées dans le cadre d’un projet de diplôme de l’EPFZ par les étudiants David Grimm, Florian Buol et Sébastien Guillaume sous la direction du Dr B. Bürki et de l’ingénieur A. Ryf. Pour ce faire, le système de mesures en temps réel AZIMUT développés au GGL a été mis en œuvre. Ce système automatique de me81

AlpTransit Gotthard

Fig. 3: Profil du géoïde CHGeo98 selon le tracé du tunnel de base du Gothard (gauche). Nous pouvons remarquer une légère corrélation entre la topographie et le tracé du géoïde ainsi qu’un comportement quasi linéaire sur les tronçons Erstfeld-Amsteg et Faido-Bodio.

sures est constitué d'une station totale TCA 1800 de Leica Geosystems, équipée d’un prisme, d’un récepteur GPS spécial pour l’acquisition du temps au moyen d’un interrupteur manuel, d’une interface et d’un calculateur de terrain muni d’un logiciel approprié (voir figure 4). Ce dernier, comportant un catalogue d’étoiles, dirige le théodolite motorisé et centralise l’acquisition et le traitement des données en fournissant des indications de précision en temps réel. Après une vérification soigneuse des différentes mires (cibles pour les mesures astro-géodésiques des azimuts), les prismes standards circulaires, non illuminés, sont observés avec la fonction automatique «Automatic Target Recognition» (ATR) de la station totale. Durant les mesures, la méthode ATR s’est montrée très fiable. La recherche des cibles ne fût pas aisée et a été réalisée à l’aide d’une puissante lampe de poche en balayant la direction approximative de la cible. Par la suite les mesures se sont déroulées de façon semi-automatique grâce au système AZIMUT qui enregistre la position des cibles. Cette procédure simplifie l'acquisition des mesures et évite les erreurs de lectures. Toutes les mesures d’azimuts ont été réalisées dans les deux positions de la lunette et, selon les conditions météorologiques, mesurées jusqu’à cinq fois. Les résultats des cinq mesures azimutales ont donnés une précision interne entre 0.1 et 0.8 seconde d’arc (0.03 et 0.24 mgon) ce qui, en regard de la pré82

cision nominale du TCA (1’’ resp. 0.3 mgon fournie par le constructeur) peut être qualifiée de très bonne. 3.2 Mesures des déviations de la verticale Les déviations de la verticale ont été mesurées à l’aide de deux caméras zénithales très analogues lors d’une campagne commune. Les systèmes DIADEM (Digital Astronomical Deflection Measuring system) de l’EPFZ et TZK2-D (transportable ZenitKamera2 -Digital Version) de l’Université Leibniz de Hanovre ont permis un contrôle réciproque des directions de la pesanteur selon les désirs du mandant. 3.3 Le principe de mesure des caméras zénithales. Les caméras zénithales, comme celles du laboratoire de géodésie et géodynamiques (GGL) de l’EPFZ et de l’institut de mesure de la terre de l’Université d’Hanovre (IfE) servent à la détermination très précise de la direction physique de la verticale à l’aide de la mesure photographique des directions des étoiles. Le champ des étoiles, mesuré par une caméra CCD, est comparé au champ stellaire de référence. Ce champ de référence est calculé à partir de la position de la station, du temps de la prise de vue et d’un catalogue stellaire (par exemple Tycho-2 ou UCAC). Le système DIADEM comporte, en plus d’une excellente optique et d’une caméra CCD appropriée,

trois paires d’inclinomètres à très haute sensibilité montés par paire à angle droit. Après l’introduction des valeurs des inclinaisons, filtrées en temps réel, ainsi que de nombreuses corrections, la projection de l’axe de rotation de la caméra dans le champ stellaire interpolé, donne la direc-

Fig. 4: L’étudiant en géomatique et co-auteur du présent article, S. Guillaume, mesurant un azimut astro-géodésique entre une mire terrestre et l’étoile polaire (alpha Ursae Minoris).

AlpTransit Gotthard

tion physique de la verticale représentée par la latitude et la longitude astronomiques. Ensuite, à l’aide des formules 1 et 2, les composantes de la déviation de la verticale ξ et η peuvent être déterminées. Avec la nouvelle version de la caméra zénithale, une précision de 0.05 seconde d’arc peut être atteinte sur les composantes de la déviation.

3.4 Exécution Théoriquement, les mesures de déviations de la verticale devraient être réalisées sur les piliers géodésiques. Ceci n’étant pas possible, les observations doivent être faites, selon les possibilités, dans un proche voisinage. En raison des accès difficiles et en partie impossibles, les caméras ont dû être installées relativement éloignées des points de mesure théoriques. L’installation excentrée n’est pas pour autant un problème car la détermination des coordonnées ellipsoïdales de la caméra se fait aisément par RTK-GNSS. De plus, à l’aide des modèles de masse, il est possible de transposer les valeurs des déviations du point de mesure réel au point de mesure théorique (du point excentré au centre du pilier). Les premières séries d’observations faites avec les deux systèmes de caméras ont eues lieu le 13 juillet 2005 aux stations d’Amsteg, Bodio, Erstfeld et Faido (voir figure 4). A chaque station, la déviation de la verticale a été déterminée sur la base de plusieurs solutions, entre 40 et 80. Lors d’une seconde nuit d’observations, le 19 juillet 2005, 130 solutions furent observées durant 6 heures à l’aide du système DIADEM. Cette longue période de mesures peut être expliquée par les mauvaises conditions météorologiques. La couverture nuageuse a rendu les observations astronomiques difficiles.

tions de la verticale F et L aux centres des piliers d’observations ainsi que les déviations qui en sont déduites à l’aide des formules 1) et 2). La précision de chaque composante peut être estimée à σ ( ξ, η) = 0.1’’

4.2 Azimuts Le traitement automatique des données, sur le terrain, à l’aide du programme AZIMUT permet l’élimination efficace des valeurs aberrantes. Les erreurs grossières dans les mesures sont, de cette manière, quasiment exclues. Pour des raisons de fiabilité, les aspects suivants ont été examinés à la fin des mesures. • L’exactitude des calculs des mesures de série des azimuts sur la base des observations issus du système AZIMUT. • L’exactitude des calculs des positions apparentes (α, δ) de l’étoile polaire en tenant compte de tous les effets modélisables comme: les mouvements propres, la précession, la nutation, la parallaxe, l’aberration et le mouvement des pôles. • L’exactitude des calculs des azimuts astronomiques basés sur les positions apparentes.

Les contrôles des positions apparentes effectués à l’institut d’astronomie de l’Université de Berne (Ploner, 2005) et par Hirt (2005), ont montré une parfaite concordance avec les valeurs obtenues par AZIMUT. Par conséquent, les résultats peuvent être qualifiés de fiables et transmis au maître d’œuvre. (Table 2).

5. Comparaison des géoïdes CHGeo98 et CHGeo2004 Pour un contrôle et une garantie des cotes du géoïde et des déviations de la verticale utilisées jusqu’à ce jour (CHGeo98), une comparaison a pu être réalisée avec le nouveau géoïde (CHGeo2004) calculé par U. Marti de swisstopo et intégrant les nouvelles déviations de la verticale (table 1). 5.1 Comparaison des cotes du géoïde Les différences calculées entre le modèle de référence CHGeo98, utilisé dans le projet Alptansit, et le nouveau modèle CHGeo2004, amélioré avec les nouvelles mesures, sont faibles (figure 5). Ainsi, aucune influence significative n'affectera les résultats.

4. Résultats des mesures 4.1 Déviations de la verticale Les résultats des mesures des directions de la verticale sont exposés dans la table 1 ci-dessous. Celle-ci présente les direc-

Fig. 5: Les deux systèmes de caméras zénithales de l’Université Leibnitz de Hanovre (à gauche) et de l’EPFZ (à droite) durant les mesures sur le pilier du portail d'Erstfeld. 83

AlpTransit Gotthard

5.2 Comparaison des déviations de la verticale Les différences des déviations de la verticale sont présentées à la table 3. Cette comparaison montre que le géoïde CHGeo98 était capable de remplir les exigences de précision d’Alptransit. Les comparaisons de CHGeo2004 de la figure 6 restent dans l’ordre de grandeur des erreurs de mesures voire même en dessous.

6. Conclusions Les résultats des mesures astro-géodésiques de contrôle ont apporté les connaissances suivantes. 1) Les mesures d'azimuts ainsi que des directions de la verticale ont été réalisées avec une grande précision. Les résultats sont fiables et remplissent les exigences élevées de précision imposées par le mandant. 2) Les azimuts astronomiques ne diffèrent pas significativement de ceux issus des coordonnées GPS (Ryf 2007). 3) Les azimuts astronomiques ont été utilisés comme observations dans le calcul de compensation globale du réseau de base avec le logiciel LTOP. Une faible rotation du réseau du portail Nord est apparente mais elle n'est statistiquement pas significative.

Station

Résultat

Précision a posteriori

Bodio

pilier 12735901

Azimut définitiv 12735901 → 12735902 = 320° 40’ 26.55”

σ(Az) = 0.10“

Faido

pilier 12525901

Azimut définitiv 12525901→ 12525902 = 111° 57’ 24.43”

σ(Az) = 0.21“

Sedrun

pilier 12122901

Azimut définitiv 12122901→ 12122930 = 244° 51’ 55.96”

σ(Az) = 0.41“

Amsteg

pilier 12124902

Azimut définitiv 12734902 → 11924910 = 356° 13’ 05.80”

σ(Az) = 0.40“

Erstfeld

pilier 11924903

Azimut définitiv 11924903 → 11924145 = 145° 40’ 10.17”

σ(Az) = 0.81“

Table 2: Azimuts astronomiques pour le contrôle des mesures gyroscopiques. 4) Les différences des azimuts gyroscopiques sont tolérables et sans incidence sur la précision. 5) Les résultats des mesures des déviations de la verticale combinés avec le nouveau modèle de géoïde CHGeo2004 valide le modèle du géoïde CHGeo98 utilisé pour le projet.

Remerciements Les auteurs de cet article tiennent à remercier cordialement Messieurs Prof. Dr. em. Emile Klingelé (laboratoire de géodésie et géodynamique, EPFZ) ainsi que Prof. Paul-Henri Cattin (Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud) pour leur contribution dans la traduction du texte original.

En résumé, nous pouvons dire que les mesures astro-géodésiques sont importantes et utiles pour la validation des valeurs de réduction du champ de pesanteur appliquées aux observations. De même, la fiabilité de l’ensemble des mensurations liées au tunnel est améliorée par ce type de mesures.

Déviations de la verticale dans le datum CH1903 par rapport au Nord de la carte Station

ξ ["]

η ["]

ξ [cc]

η [cc]

Bodio Pillier

3.67

13.64

11.32

42.12

Faido Pilier

–4.93

9.79

–15.22

30.23

Erstfeld Pilier

16.74

10.72

51.64

33.09

Amsteg Pilier

18.85

–9.15

58.17

–28.24

Sedrun Pilier

2.25

4.41

6.93

13.62

Table 1: Mesures de 2005 des déviations de la verticale utilisées comme contrôle de la solution du géoïde CHGeo98 et des corrections appliquées aux mesures gyroscopiques du projet NEAT. 84

Fig. 6: Comparaison des solutions CHGeo98 et CHGeo2004. Bien que la nouvelle solution montre des variations ondulations jusqu'à 7 centimètres, les effets sur les différences de hauteurs restent acceptables.

AlpTransit Gotthard

Hirt, C. (2005): Communication personnelle. Différence déviations (CHGeo2004) – déviations observées (datum CH1903, nord de la carte) Modèle CHGeo2004 Station

Mesuré

Différence

ξ ber. ["]

η ber. ["]

ξ beob. ["]

η beob. ["]

dξ ["]

dη ["]

Bodio

pilier

3.66

13.19

3.67

13.64

–0.01

–0.45

Faido

pilier

–5.37

9.10

–4.93

9.79

–0.44

–0.69

Erstfeld pilier

16.87

10.09

16.74

10.72

–0.13

–0.63

Amsteg pilier

18.53

–9.79

18.85

–9.15

–0.32

–0.64

Sedrun pilier

1.24

4.37

2.25

4.41

–1.01

–0.04

Table 3: Comparaison des solutions des géoïdes CHGeo98 et CHGeo2004 selon les déviations de la verticale. Références: Bürki, B., M. Ganz, Ch. Hirt, U. Marti, A. Müller, PV Radogna, A. Schlatter, A. Wiget (2005): Astrogeodätische und gravimetrische Zusatzmessungen für den Gotthard-Basistunnel. Vergleiche zwischen Astogeodätischen und gravimetrischen Messungen vom Sommer 2005 mit modellbasierten Werten. Swisstopo-Report 05-34. Haag, R., A. Ryf & R. Stengele (1996): «Grundlagenvermessung für extrem lange Tunnel am Beispiel des Gotthard-Basis-Tunnels.» XII. In-

ternationalen Kurs für Ingenieurvermessung, Graz. Haag, R., F. Bräker & R. Stengele (1998): «A 57 km long Railway Tunnel through the Swiss Alps and its planned Survey.» Proc. XXI. International Congress FIG Brighton, Haag, R. & R. Stengele (1999): «Vermessungstechnische Grundlagen und Herausforderungen beim Projekt Alp-Transit-Gotthard-Basistunnel.» Moderne Sensorik für die Bauvermessung, VDI-Gesellschaft Bautechnik, Bericht 1454, S. 225–240.

Hirt, C. und Bürki, B. (2002): «The Digital Zenith Camera - A New High-Precision and Economic Astrogeodetic Observation System for Real-Time Measurement of Vertical Deflections». Proc. of the 3rd Meeting of the International Gravity and Geoid Commission of the International Association of Geodesy, Thessaloniki (ed. I. Tziavos): pp. 161–166. Ploner, M. (2005): Communication personnelle. Schätti, I. (2006): «Herausforderungen bei der Absteckung des Gotthard-Basis-Tunnels.» Geomatik Schweiz, Heft 06/2006. Schätti, I. und A. Ryf (2007): «AlpTransit Gotthard-Basistunnel: Grundlagenvermessung, letzte Kontrollen vor dem ersten Durchschlag.» XV. Konferenz für Ingenieurvermessung, Graz. Stengele, R. & R. Haag (1998): «Geodätische Aspekte bei der Vermessung des 57 km langen Gotthard-Basistunnels.» Messen in der Geotechnik 98, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik TU Braunschweig, S. 301–312. Stengele, R. (2007): «Erster Hauptdurchschlag im Gotthard-Basistunnel: Tunnelvermessung in Theorie und Praxis». 15. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung. Graz. Zanini, M., R. Stengele & M. Plazibat (1993): «Kreiselazimute in Tunnelnetzen unter Einfluss des Erdschwerefeldes», Berichte des Instituts für Geodäsie und Photogrammetrie der ETH Zürich, Nr. 214.

Fig. 7: Les différences de l’ensemble des déviations de la verticale entre les géoïdes CHGeo98 et CHGeo2004 se situent dans un faible intervalle de ± 1.7cc (0.17 mgon), ce qui démontre que le modèle CHGeo98 remplit totalement les exigences de précision.

Beat Bürki und Sébastien Guillaume ETH Zürich, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie CH-8093 Zürich buerki@geod.baug.ethz.ch guillaume@geod.baug.ethz.ch

AlpTransit Gotthard

De la théorie du potentiel aux tassements décelés au col du Saint-Gothard Ce qui débuta comme un essai de terrain anodin, portant sur la théorie du potentiel et entrepris préalablement au percement du tunnel de base du Saint-Gothard, s’est conclu par la découverte surprenante, en 1997, de tassements massifs au col du SaintGothard. Petit retour en arrière sur une tentative de confirmation de la théorie du potentiel qui a mené à une toute autre trouvaille.

A. Geiger, A. Schlatter

Quel lien peut bien unir la théorie du potentiel et un tunnel? Cette question est sûrement posée aussi rarement que des tunnels ferroviaires de grande longueur sont creusés. Cependant, sa réponse revêt de l’importance dans le contexte de la construction de tunnels ou plus précisément dans celui de la construction du tunnel ferroviaire le plus long au monde actuellement. Et même si la réponse apportée n’a pas découlé d’une démarche purement scientifique, elle n’en permet pas moins de jeter un bref coup de projecteur sur un aspect secondaire de la recherche en géodésie. Années 1990: tout un chacun, pour autant qu’il manifeste un minimum d’intérêt pour la géologie, savait que le massif du Saint-Gothard n’occupait pas une position immuable. On appelait ce phénomène le soulèvement alpin. Il était clair, au plus tard au terme des travaux conduits par F. Jeanrichard et E. Gubler (tous deux directeurs de l’Office fédéral de topographie, non pas simultanément mais consécutivement) et des études géodésiques et tectoniques effectuées sans relâche par H.-G. Kahle, professeur de géodésie à l’ETH Zurich en ce temps-là et président de la Commission géodésique suisse, que les Alpes se soulevaient, de plusieurs millimètres par an parfois. Des déformations affectaient donc la roche solide. 86

Outre les mouvements tectoniques constatés «à grande échelle», on notait aussi des failles locales, datant du quaternaire récent, au niveau de l’épaule des vallées, le long de la ligne Rhin-Rhône. Ces déplacements différentiels bien visibles sur le terrain, formant des «niches d’arrachement» côté amont, apparaissaient également au-dessus d’Andermatt. Là-bas, aux abords du Lutersee (Stöckli), des mesures géodésiques notamment réalisées par l’Institut de géodésie et de photogrammétrie de l’ETHZ, avaient décelé de petits mouvements différentiels verticaux d’une ampleur atteignant plusieurs dixièmes de millimètre par an. P. Eckardt et al. (2/1983) ont décrit ces failles dans «Mensuration, Photogrammétrie, Génie rural», revue à laquelle a succédé «Géomatique Suisse». Il est possible que les problèmes de déformation apparus au niveau du «kilomètre 4» du tunnel routier peu de temps après son ouverture soient imputables à ces mécanismes de déplacement. Au-delà de Sedrun, sur le secteur d’Alp Caschlé, bien au-dessus du tunnel de base du Saint-Gothard projeté, ces failles postglaciaires étaient également présentes. Elles ont fait l’objet de nouvelles mesures géodésiques, réalisées dans les années 1990 par le consortium Vermessung Gotthard Basistunnel (VIGBT), conscient que des mouvements de terrain étaient possibles. D. Schneider, responsable de la «Section Bases géodésiques» de swisstopo de cette époque et promoteur de l’intégration des connaissances théoriques sur les dé-

Fig. 1: tassements au col du Saint-Gothard entre Wassen - Göschenen - Hospental et Guspisbach; représentation graphique tirée du communiqué de presse publié le 22 janvier 1998 (Schneider, Schlatter 1998). formations dans la mensuration nationale, avait élaboré un programme de répétition des mesures de nivellement du tunnel routier, en vue principalement de déceler d’éventuelles déformations. Les mesures furent réalisées par le consortium VI-GBT et swisstopo à l’occasion d’une interruption de service destinée à permettre l’exécution d’opérations de maintenance en juin 1997. Des discussions très intéressantes eurent alors lieu entre le chef de projet du TBG pour la mensuration (F. Bräker), R. Haag de VI-GBT, swisstopo et l’IGP (ETHZ), puisqu’il s’agissait de préciser les connaissances supplémentaires que de nouvelles mesures pouvaient bien apporter. Il était question d’une part du lien entre les déformations en surface et dans le tunnel et d’autre part de l’analyse d’une boucle de nivellement «verticale», intéressante dans l’optique de la théorie du potentiel. On ne pouvait par ailleurs rêver de meilleures conditions pour conduire cet essai, puisque le nivellement en surface entre les deux puits d’aération d’Hospental et de Guspisbach suit un tracé quasiment identique à celui du tunnel. Aux

AlpTransit Gotthard

extrémités des lignes de nivellement, les «altitudes à la base et au sommet» peuvent être reliées l’une à l’autre grâce à une mesure de distance verticale. On peut donc mesurer directement la longueur de la normale, pour ainsi dire dans les entrailles de la Terre, et cela en deux endroits si proches l’un de l’autre que les nivellements qui les relient sont très précis et peuvent être effectués moyennant une charge de travail raisonnable. En résumé: une situation idéale pour des études géodésiques. Qui peut en effet s’offrir un laboratoire géodésique comprenant un tunnel et deux puits verticaux de 320 et 530 m de profondeur?

Des mesures à une surprise de taille La bonne volonté dont toutes les parties ont su faire preuve et le soutien financier supplémentaire accordé par la Commission géodésique suisse de l’Académie des sciences naturelles ont permis d’exécuter les mesures sans perdre de temps. Elles devaient cependant s’effectuer lors de l’une des périodes réservées à la maintenance du tunnel. Durant les nuits du 23 au 24 et du 24 au 25 septembre 1997, nous ne disposions donc que de quelques heures pour procéder aux mesures de distances dans les puits verticaux avec un Mékomètre 5000 KERN. A la fin du même mois, swisstopo et le consortium VIGBT réalisèrent le nivellement le long de la route du col. Les premières exploitations des mesures effectuées entre Hospental et Guspisbach (sur une longueur de 5 km avec une dénivelée de 330 m) ont fait apparaître un écart considérable par rapport au nivellement du col réalisé en 1970: un tassement de huit centimètres ! Autrement dit, un véritable abîme pour un homme de l’art. Les mesures de contrôle supplémentaires effectuées et les nouvelles exploitations réalisées n’y changèrent rien, il fallut se résigner à dresser ce constat inattendu: un tassement était survenu entre Hospental et Guspisbach. La publication de ce résultat, qui déplaçait des montagnes à sa façon, intervint en janvier

1998 et prit la forme d’un communiqué de presse de swisstopo (cf. figure 1 dans Schneider, Schlatter 1998). Les auteurs y parlent des «tassements les plus forts affectant la roche affleurante jamais constatés en Suisse». Cet événement déclencha la répétition du reste de la ligne de nivellement du col du Saint-Gothard, entre Guspisbach et Airolo. L’exploitation des données confirma sans équivoque des résultats certes redoutés, mais dont il fallait assurément tenir compte: des affaissements devaient effectivement s’être produits dans le tronçon central de la traversée des Alpes. Une présentation récapitulative (Schlatter, 2007) de ces phénomènes figure dans Wiget et al. (présent numéro, 2010). Ces enseignements incitèrent les autorités de surveillance et le maître de l’ouvrage à faire procéder à des investigations poussées incluant des «mesures géodésiques de référence» sur la totalité de la zone couverte par le projet AlpTransit. Les mesures de référence devaient servir à définir la position actuelle des sols et permettre ainsi des comparaisons à des époques ultérieures. Des lignes de nivellement franchissant les cols de la Furka, de l’Oberalp et du Lukmanier furent donc mesurées sous la direction de swisstopo, au même titre qu’une ligne dans le Val Nalps. Les déformations des barrages situés au-dessus du tracé devaient par ailleurs faire l’objet d’un suivi géodésique initié dans le cadre de mandats de mesure et de surveillance. Le cas éclairant de Zeuzier (déformations affectant le barrage, par exemple Biedermann 1980) et les enseignements qui en furent tirés convainquirent toutes les parties prenantes de la pertinence d’une stratégie proactive, allant de l’avant, pour les mesures de surveillance d’ordre géodésique. L’influence des drainages sur les couches de roches traversées devait par ailleurs être envisagée sous un jour nouveau. Qui n’a jamais réalisé une découverte dépourvue de tout lien avec l’objet initial de ses recherches? Ne devrait-on pas interpréter la prochaine mise à l’arrêt prolongée du tunnel comme un signe indiquant que la théorie du

potentiel devrait être réexaminée? Quelles autres surprises nous attendent donc? Références bibliographiques: Biedermann, R. (1980) : Ausserordentliches Verhalten der Staumauer Zeuzier. Eau, énergie, air, 72ème année, n° 7/ 8. Eckhardt P., H. Funk, T. Labhart avec des contributions de W. Fischer et E. Gubler (1983) : Postglaziale Krustenbewegungen an der RheinRhone-Linie; Mensuration, Photogrammétrie, Génie rural, 2/83. Schlatter, A. (2007): Das neue Landeshöhennetz der Schweiz LHN95. Travaux géodésiques et géophysiques exécutés en Suisse, Commission géodésique suisse, 373 pages. ISBN 9783-908440-16-1. Schlatter, A., E. Gubler, B. Mattli, D. Schneider (1997): Neues Landeshöhennetz LHN95: Deformations-Analyse Gotthard. Untersuchungen der Senkungserscheinungen im Bereich des Gotthard-Strassentunnels. Rapport technique 97-40, Office fédéral de topographie, Wabern. Schneider, D. (1997): AlpTransit Gotthard-Basistunnel: Deformationsmessungen im Gotthard-Strassentunnel (A2). Rapport technique 97-13, Office fédéral de topographie, Wabern. Schneider, D., A. Schlatter (1998): RCM – Analyse Gotthard. Communiqué de presse, L+T, 22 janvier 1998. Schneider, F. (1978): Nivellement und Schweremessungen am Gotthard. Bericht 17, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, ETH Zurich. Wiget, A., A. Schlatter et U. Marti (2010): Beiträge der Landesvermessung zum AlpTransit Gotthard-Basistunnel, Géomatique Suisse, 12/2010.

Alain Geiger Institut de géodésie et de photogrammétrie ETH Zurich Schafmattstrasse 34 CH 8093 Zürich Andreas Schlatter Office fédéral de topographie swisstopo Seftigenstrasse 264 CH 3084 Bern-Wabern 87

AlpTransit Gotthard

La mensuration du tunnel de base du Lötschberg après la jonction principale Le tunnel de base du Lötschberg forme, avec le tunnel déjà existant du Simplon, la première liaison nord-sud à grande vitesse à travers les Alpes. Le projet de ce tunnel de base a constitué un véritable défi pour tous les professionnels impliqués. La mensuration d’un tunnel d’une telle longueur a aussi été une tâche extrêmement exigeante. L’article intitulé «Tunnelvermessung des Lötschberg-Basistunnels», publié dans la revue Géomatique Suisse (n° 11/2005), était principalement consacré à la mensuration du tunnel jusqu’à la jonction principale. Si une présentation récapitulative des résultats obtenus après la jonction principale figure dans le présent article, les trois tâches suivantes incombant à la mensuration y sont aussi abordées : la compensation de l’erreur de percement, le contrôle de la voie sans ballast et la mise en place de la surveillance de l’ouvrage.

H.-U. Riesen

Description succincte du projet Le tunnel de base du Lötschberg relie Frutigen dans la vallée de la Kander (Oberland bernois) à Rarogne dans la vallée du Rhône (canton du Valais). Long de 34,6 km, il se présente sous la forme d’un tunnel ferroviaire comportant deux tubes monodirectionnels, à voie unique chacun. Sa réalisation s’effectue par étapes, pour des raisons financières. Durant la première d’entre elles, la branche ouest de Steg (portail de Niedergesteln) ainsi que le tube ouest reliant Ferden à Mitholz restent à l’état brut (gros œuvre) après leur percement. Un seul tube est par ailleurs excavé sur le tronçon Mitholz-Frutigen, parallèle à la galerie de sondage de la vallée de la Kander forée entre 1994 et 1996. Les travaux de creusement des tubes du tunnel de base ont débuté en 1999. La jonction principale entre les cantons du Valais et de Berne a été célébrée le 28 avril 2005, marquant la fin des travaux de percement. L’aménagement intérieur du tunnel et l’installation des équipements ferroviaires durèrent jusqu’en novembre 2006. Le 15 juin 2007 eurent lieu la cé88

rémonie d’inauguration et la remise de l’ouvrage à son exploitant, la société BLS SA. Le tunnel de base du Lötschberg fut donc prêt à temps pour être pris en compte lors du changement des horaires de chemin de fer intervenu en décembre 2007. Le creusement des galeries du tunnel a débuté simultanément sur cinq sites différents. Outre les deux chantiers ouverts au niveau des portails de Frutigen et de Rarogne, il s’agissait des points d’attaque intermédiaires de Mitholz, Ferden et Steg/Niedergesteln. Les deux ponts franchissant le Rhône à Rarogne et le tunnel Engstlige construit à ciel ouvert à Frutigen ont par ailleurs constitué des ouvrages externes importants. La longueur totale des galeries excavées est de 88,1 km. 80% ont été creusés à l’explosif, les 20% restants étant forés par des tunneliers (figure 1). La configuration finalement retenue pour le tunnel prévoit deux tubes à voie unique, parallèles l’un à l’autre et reliés par une galerie transversale tous les 330 m.

Parties prenantes au projet Géomètre du projet Le groupement d’ingénieurs des cantons de Berne et du Valais (IG BeWa) s’est vu

Fig. 1: représentation schématique des différents types de percement (en vert et en rouge: à l’explosif; en bleu: par un tunnelier). confier la charge de géomètre du projet (GP) par le maître de l’ouvrage, BLS AlpTransit SA, dans le cadre d’une procédure de soumission à deux niveaux. IG BeWa rassemblait les entreprises suivantes : • ristag Ingenieure AG (auparavant Riesen & Stettler AG), Urtenen-Schönbühl • BSAP Ingenieure und Berater, Brig-Glis • Häberli + Toneatti AG, Spiez • Klaus Aufdenblatten Geomatik AG, Zermatt Spécialistes L’Office fédéral de topographie swisstopo a œuvré en qualité de sous-traitant pour l’établissement et le complément du réseau primordial de surface. Le tunnel de base du Lötschberg a été intégralement implanté dans le cadre de référence de la nouvelle mensuration nationale MN95 (GPS), en prenant appui sur le réseau altimétrique national RAN95. Les mesures gyroscopiques ont été effectuées par divers instituts agissant en qualité de sous-traitants: • ETH Zurich, Institut de géodésie et de photogrammétrie (IGP-ETHZ)

AlpTransit Gotthard

Jonction sur le tronçon Steg – Ferden

Transversale Altitude Longitudinale [écart en cm] [écart en cm] [écart en cm] 8.6

0.5

2.4

Rarogne – Lötschen

10.4

1.1

2.3

Mitholz – Frutigen

1.5

0.6

0.0

Lötschen – Ferden

2.0

0.3

0.4

Tab. 1: résultats des jonctions partielles. • Universität der Bundeswehr München, Institut für Geodäsie (IfG), Allemagne BLS Netz SA Le service des mensurations de la société BLS Netz SA était compétent pour l’établissement et l’actualisation du projet de géométrie des voies ainsi que pour la documentation des installations (SIG DfA).

Résultats des jonctions des différents tronçons du tunnel Du fait des possibilités de contrôle limitées dans le tunnel, les géomètres ont vécu jusqu’au bout dans une certaine incertitude. Leurs doutes n’ont pu être levés qu’une fois la jonction réalisée, lorsqu’une mesure de liaison a permis d’établir définitivement si les exigences de précision étaient satisfaites et si les hypothèses faites étaient correctes. Le tableau 1 récapitule les résultats des principales jonctions partielles : La jonction principale a été réalisée le 28 avril 2005, à une profondeur de 2‘026 m sous le Balmhorn (coordonnées: 620’392/142’841), sur le tronçon Mitholz – Ferden reliant l’Oberland bernois au Valais. La mesure de contrôle a fait apparaître les erreurs suivantes à la jonction, sur une longueur totale de percement de 20,9 km (tableau 2): Les jonctions partielles et la jonction principale ont fourni des résultats très satisfaisants pour le tunnel de base du Lötschberg, de sorte que les exigences imposées par le maître de l’ouvrage ont toutes été satisfaites.

Erreur

Effective [cm]

Tolérance à 99% Niveau d’utilisation [écart en cm] de la tolérance

Transversale

13.4

25.0

54 %

En altitude

0.4

12.5

10.3

–

Longitudinale

Tab. 2: résultat de la jonction principale.

Compensation de l’erreur de percement après le creusement au tunnelier Dans les tronçons creusés au tunnelier, le radier définitif, kicker compris (préparation pour la coque intérieure) a été mis en place dès l’excavation réalisée, si bien que la position de la coque intérieure (et donc de la banquette) était pour ainsi dire imposée. Après la jonction et le calcul définitif des coordonnées des points fixes, la voûte du tunnel excavé a fait l’objet d’un relevé complet par un balayage laser d’où des profils en travers ont été déduits tous les 2,5 m, permettant de comparer les profils effectifs et théoriques. Cette exploitation des profils a permis d’analyser l’effet de chacune des différentes composantes d’erreur. L’écart total entre le tunnel à l’état brut et l’axe du projet se composait de trois éléments différents:

1. l’erreur d’implantation du géomètre du projet (GP) 2. l’erreur d’implantation du géomètre de l’entreprise (GE) 3. la dérive du tunnelier par rapport à l’axe implanté par le GE L’exploitation des données a montré que tous les participants ont respecté les tolérances qui leur étaient imparties. Des déviations globales d’une certaine ampleur (atteignant 24 cm au plus, cf. figure 2) ont toutefois été enregistrées par endroits, les erreurs se combinant alors de manière défavorable. Une légère adaptation de la géométrie des voies sur toute la longueur du tunnel a permis de compenser ces déviations sans aucune difficulté et sans provoquer d’altération dans la dynamique du mouvement.

Fig. 2: exploitation des mesures du profil Steg – Ferden. 89

AlpTransit Gotthard

faible et le tunnel creusé à l’explosif tendait à être excavé en léger excédent par rapport au profil théorique.

Fig. 3: chariot de mesure de la voie RACER.

Compensation de l’erreur de percement après le creusement à l’explosif Sur les tronçons du tunnel creusés à l’explosif, le radier, la coque intérieure et la banquette étaient également bétonnés à l’arrière du front de taille alors que le percement se poursuivait encore. Ainsi, à la date de la jonction, la banquette était achevée à 75 % ; seuls 4 km manquaient encore. Les arêtes avant des banquettes déjà réalisées ont été mesurées en planimétrie et en altimétrie (à raison d’un point de contrôle tous les 25 m) sur la base des nouvelles coordonnées des points fixes. Une fois sa position parfaitement connue, la géométrie de la voie a fait l’objet d’une légère adaptation sur le tronçon Mitholz – Ferden, de façon que son nouvel axe se trouve exactement entre les banquettes déjà bétonnées. Ce mode opératoire a permis de compenser l’erreur de percement et de garantir le respect de l’écart minimal entre les positions effective et théorique de l’arête de la banquette par une optimisation de l’axe. Les erreurs de percement effectives ont donc été compensées par une légère adaptation de la géométrie de la voie. Suivant le cas, un reprofilage peut être nécessaire aux alentours du point de jonction. Fort heureusement, il n’en a pas été ainsi pour le tunnel de base du Lötschberg, pour deux raisons principales: l’erreur de percement était relativement 90

Grandeur mesurée

Erreur de mesure (1 σ)

Position

< 0.4 mm

Contrôle de la voie sans ballast à sa réception

Altitude

< 0.5 mm

Ecartement

< 0.3 mm

Le nouveau chariot de mesure de la voie RACER – Rapid Automated Control Equipment for Rails – a été développé spécialement (figure 3) pour le contrôle précis de l’implantation de la voie ou des rails posés. Cette nouvelle solution permet au maître de l’ouvrage de procéder à un contrôle totalement indépendant de la voie sans ballast à sa réception.

Inclinaison

< 0.3 ‰

Concept du système • le tachéomètre motorisé est solidaire du chariot de mesure de la voie • la position de l’axe de la voie est déterminée en 3D par relèvement sur des points connus (stations libres) • l’écartement ainsi que les inclinaisons longitudinale et transversale sont saisis automatiquement • le chariot de mesure est motorisé et peut avancer à une vitesse variable • l’exploitation est réalisée en ligne et les résultats sont comparés aux valeurs théoriques. Cette solution est le fruit d’une collaboration avec les partenaires impliqués dans son développement, dans la programmation de son logiciel de pilotage et dans la construction du prototype de chariot de mesure. La procédure de son utilisation a été optimisée lors de tests approfondis et un étalonnage du système a été réalisé. Les erreurs de mesure moyennes suivantes (1σ) (tableau 3) ont pu être déduites des nombreuses mesures de comparaison et des tests effectués avec un système indépendant. Exigences imposées par le maître de l’ouvrage De son côté, le maître de l’ouvrage a défini les tolérances de pose exigées pour la voie sans ballast (tableau 4). Une distinction est établie entre des tolérances absolues et relatives. Les valeurs de tolérance absolues concernent les écarts maxi-

Tab. 3: erreurs de mesure moyennes de RACER. mums en direction horizontale et verticale par rapport à l’axe du projet. Les tolérances relatives revêtent de l’importance du point de vue de la dynamique du mouvement. L’intervalle de mesure a été fixé à 2,5 m. Le chariot de mesure RACER permet donc de vérifier un tronçon de 150 m de voie par heure, soit environ un kilomètre en l’espace de 6,5 heures. Résultats Les résultats du contrôle final ont été récapitulés sous la forme de différences par rapport à la valeur théorique. Le dépouillement statistique a révélé que les tolérances de pose par rapport à l’axe du projet ont été respectées à plus de 99% (tableau 5). Les rares dépassements de tolérances n’excèdent pas 1 mm. Afin d’établir une documentation claire, les résultats des mesures de contrôle ont été récapitulés graphiquement sous la forme de différences par rapport aux valeurs théoriques [mm] et présentées sur des diagrammes en bandes (figure 4). Paramètre vérifié (réception) Position

± 3 mm

Hauteur Flèche maximale Dévers Ecartement

Tolérance

± 3 mm 1)

< 2 mm ± 2 mm –1/+3 mm

Tab. 4: tolérances de pose. 1) Pour une base de mesure de 20 m, la différence entre deux flèches successives au milieu de la corde, mesurées à 5 m d’intervalle, doit être inférieure à 2 mm aussi bien horizontalement que verticalement.

AlpTransit Gotthard

réseau de surveillance a été densifié par des points supplémentaires sur le côté ouest de la banquette. Pour la surveillance de l’ouvrage, un point fixe altimétrique situé à proximité du portail de Frutigen a servi de référence. Le choix du cadre des altitudes usuelles NF02 permet de réaliser de nouvelles mesures sans connaître le modèle de correction orthométrique et donc de comparer les résultats ainsi obtenus aux valeurs antérieures directement sur site.

Remarque finale Fig. 4: différences entre la géométrie effective de la voie sans ballast et l’axe du projet. Les campagnes de mesure ont été effectuées en continu, tronçon après tronçon, dès la mise en place de la voie sans ballast (intervenue entre juillet 2005 et novembre 2006). Une longueur de plus de 51 km a été contrôlée au total dans le tunnel, lors de plusieurs campagnes de mesure. Les mesures de contrôle ont livré des résultats remarquables, confirmant aussi bien le niveau de qualité élevé de la technique de pose de la voie sans ballast que la précision et la fiabilité du RACER. La mise en œuvre de solutions innovantes, synonymes de gains de temps et d’argent, a permis de fournir à temps les résultats nécessaires au maître de l’ouvrage, sans pour autant requérir une charge de travail excessive.

Surveillance de l’ouvrage Un ouvrage de cette envergure doit être surveillé dans la durée. Le groupement IG BeWa a ainsi demandé à swisstopo, en

octobre 2003, si la mesure d’une ligne du nivellement fédéral traversant le tunnel de base du Lötschberg avant sa mise en service pouvait l’intéresser. L’Office a répondu par l’affirmative. Le nivellement double de précision réalisé en novembre / décembre 2006 sous la direction de swisstopo livra une détermination extrêmement précise des cotes des points fixes altimétriques dans le cadre de référence altimétrique RAN95. swisstopo a par ailleurs pu compléter son réseau altimétrique national et contrôler la fermeture de la boucle formée avec la ligne existante, empruntant le tunnel de faîte du Lötschberg. Des points ont été matérialisés à l’aide de boulons et de rivets secondaires le long de la totalité du tunnel (groupes de points dans chaque galerie transversale et totalité des points intermédiaires sur le côté est de la banquette). Dans les zones les plus critiques (intitulées «Autochthon Nord», «Karbon» et «Jungfraukeil»), le

Tolérance de pose absolue

Tolérance de pose relative

Position

Altitude

Dévers

Ecartement Flèche maximale admissible horizontale verticale

> 3 mm

> 2 mm

> –1/+3 mm

> 2 mm

20 440

108

136

100%

0.14%

0.53%

0.05%

0.67%

0.03%

0.01%

Nombre de mesures

Le groupement d’ingénieurs IG BeWa s’est vu confier l’intégralité des travaux de mensuration liés à la construction du tunnel de base du Lötschberg, de ses débuts jusqu’à sa conclusion. Peu de projets d’une ampleur comparable et imposant des exigences de précision aussi serrées ont été réalisés de par le monde jusqu’à aujourd’hui, si bien que nous manquions cruellement d’expériences auxquelles nous référer pour l’implantation du tunnel. C’est pourquoi cette tâche a constitué un défi de taille pour nous. Les résultats des différentes jonctions prouvent assurément que nous avons su relever ce défi. Nous avons vécu bien des moments passionnants tout au long de cette aventure qui nous a également permis d’acquérir une expérience particulièrement précieuse. Et si nous conserverons finalement un excellent souvenir du projet du tunnel de base du Lötschberg, c’est très largement à la collaboration exemplaire entretenue avec l’ensemble des intervenants – maître de l’ouvrage, ingénieurs du projet, géologues, chefs de chantier et entrepreneurs – que nous le devrons.

Tab. 5: nombre de dépassements des tolérances fixées.

Hans-Ueli Riesen ristag Ingenieure AG Eigerweg 4 CH-3322 Urtenen-Schönbühl h.riesen@ristag.ch 91

AlpTransit Gotthard

Mensuration pour la technique ferroviaire dans le tunnel de base du Lötschberg De 2004 à 2006 la ligne de base du Lötschberg a été munie des équipements de technique ferroviaire. Le coût de ces installations se montait à 791 millions de francs. Wild Ingénieurs SA de Küssnacht au Rigi ont été mandatés pour la mensuration. Le travail principal consistait en l’alignement des 51.6 km de voie sur dalle dans le tunnel de base. Dans plusieurs passages du wagon de mesure des voies HERGIE et à l’aide d’un système d’alignement par levage conique de Rhomberg Bahntechnik AG la voie a été mise à la place requise. Les exigences élevées en précision de pose des voies représentaient un des grands défis. Les installations de technique ferroviaire ont été posées par des équipes journalières 3 sur 3 ce qui exigeait des géomètres une grande flexibilité et une étroite collaboration avec les constructeurs de la voie. La pression continuelle du temps pesait lourdement sur chacun des géomètres.

B. Tanner L’équipement de technique ferroviaire a été réalisé par l’entrepreneur général «ARGE Bahntechnik Lötschberg» sous la responsabilité des deux entreprises de construction Implenia AG et Rhomberg Bahntechnik AG. L’équipe de travail comptait plus de 35 entreprises spécialisées couvrant les douze domaines indépendants de la technique ferroviaire. Wild Ingénieurs SA ont été mandatés pour la mensuration de l’équipement de technique ferroviaire et travaillaient principalement dans les domaines du revêtement de surface, du système caténaire et de la logistique (infrastructure de construction). Trois équipes de géomètres étaient occupées à plein temps et jusqu’à trois autres équipes de manière sporadique à temps partiel pendant deux ans pour effectuer les travaux de mensuration.

Voies sans ballast La construction des voies sans ballast était l’équipement de technique ferroviaire le plus exigeant. Une centaine d’ouvriers travaillaient de l’automne 2004 à l’été 2006 en trois équipes, sept jours par semaine, par une chaleur de 28 °C et une humidité de l’air très élevée. 92

Dans la construction d’une voie sans ballast, le gravier est remplacé par un autre matériel stable tel que le béton. L’avantage ce procédé est la plus grande stabilité de la voie, qui réduit les coûts de maintenance et les coûts occasionnées par les perturbations affectant le fonctionnement. La voie sans ballast a une durée de vie de 50 à 60 ans. Les coûts importants d’investissement ainsi que les valeurs plus élevés d’émissions sonores constituent par contre des inconvénients. Au tunnel de base du Lötschberg et dans le tunnel d’Engstlige (2.4 km à Frutigen), une voie sans ballast d’une longueur totale de 51.6 km est construite ; le reste de la ligne a été équipée de voies ballastées. La rigidité de la voie sans ballast demande une très grande précision dans la pose des voies pour garantir une dynamique de conduite de haute qualité (confort de conduite et usure). La mensuration pour le projet du Lötschberg a débuté au printemps 2003 à la galerie d’essais de Mitholz dans le tunnel de base. Les premiers essais de construction de voies sans ballast ont été effectués sur deux voies d’une longueur de 54 m et de 36 m. En 2004, d’autres essais ont suivi à Dornbirn (A) (Figure 1), où Rhomberg Bahntechnik AG, en collaboration avec Wild Ingenieure AG, effectuait des tests à l’ai-

de du profil en travers du tunnel à l’échelle sur une voie de 70 m de longueur. La tâche consistait à tester et de développer le fonctionnement de l’exécution de l’installation et du système d’alignement par levage conique pour le positionnement des voies. Système d‘alignement Le système d‘alignement développé par Rhomberg est composé de deux éléments: une cale de levage (figure 6) permettant d’aligner les voies de manière continue au dixième de millimètre près en position et en hauteur ainsi que du wagon de mesure HERGIE (Figure 2) , qui indique la position absolue et relative.. Le contrôle en temps réel de la position des voies était effectué à l’aide du wagon de mesures HERGIE, qui est dirigé par une station totale. Ce wagon est construit en aluminium et ne pèse que 25 à 30 kg environ. Il est équipé d’un ordinateur à écran tactile résistant aux intempéries. Il est possible d’y ajouter un clavier externe et il est équipé d’un un port PCMCIA. La station totale était une LEICA TCA2003. La communication entre la station totale et le wagon de mesure passait par une liaison radio. La position de la TCA2003 était déterminée au moyen d’une station libre basée sur les points de surveillance des voies. Le wagon de mesure Hergie est composé des éléments suivants: • un capteur d’inclinaison électronique de précision pour les mesures de dévers de la voie (précision ±0.4 mm) • un capteur de distance pour mesurer l'écartement des rails (précision ±0.4 mm) • un capteur d’inclinaison électronique de précision pour mesurer l’inclinaison des rails • un ordinateur à écran tactile (Figure 3) • un réflecteur HERGIE est basé sur le positionnement de points uniques tridimensionnel de haute précision en temps réel. Chaque point est déterminé par sept paramètres: ses coordonnées 3D, le dévers de la voie, l’écartement des voies et l’inclinaison des deux voies. Dès lors, les caractéristiques quali-

AlpTransit Gotthard

Fig. 1: Tronçon de test à Dornbirn (A). tatives suivantes de géométrie des voies peuvent être déterminées: • la position latérale du rail de référence (dans la pratique, ce n’est pas l’axe des voies, mais le rail de référence qui est ajusté), • le bord supérieur des deux rails, • le dévers de la voie (inclinaison transversale), • l’écartement des voies (distance entre les bords intérieurs des rails), • le kilomètrage de la voie et • l’inclinaison des deux rails (ils sont inclinés vers l’intérieur dans une proportion de 1:40). Les données relevées peuvent être enregistrées à l’aide de HERGIE et éditées sous forme de graphiques ou comme fichier de liste en format ASCII. Les données de base pour le contrôle des voies sont les coordonnées des points fixes ainsi que les données de traçage. Il s’agit des données géométriques horizontales et verticales ainsi que les données de dévers. L’axe de géométrie des voies n’étant pas identique à la géométrie de l’axe de kilomètrage, il est possible d’ajouter les données géomètriques de l’axe de kilomètrage. Pour augmenter la fiabilité, les diverses composantes (senseurs) peuvent être conrtôlés et calibrés rapidement et à tout moment. Par ailleurs, l’orientation de la station totale peut également être surveillé et corrigé depuis le wagon de mesure. HERGIE est alimenté par une batte-

Fig. 2: Wagon de mesure HERGIE. rie à voiture à courant continu de 12 V (45 Ah). Ceci garantit le fionctionnement continu du système pendant douze heures. Tolérances de pose Du fait de la construction rigide des voies sans ballast, les tolérances de pose sont plus élevés que celles exigées par une voie ballastée. Cette précision est nécessaire pour obtenir une bonne qualité de la dynamique de conduite comme, par exemple, le confort de consuite et l’usure (voir encadré). La plus grande difficulté consistait à satisfaire les exigences relatives à l’erreur d’alignement à l’horizontale et à la vericale (géométrie interne). La tolérance (= 98.8% de probabilité) pour l’ajustement d’un point de support était de ±0.6 mm et demandait un ajustement minutieux et professionnel. Toutes les autres exigences ont pu être remplies sans problème avec notre système. L’installation de la voie sans ballast La construction de la voie sans ballast a nécesité cinq procédures de relevés: 1. Implantation pour la pose des traverses 2. Alignement grossier des traverses 3. Alignement fin des traverses 4. Contrôle durant le bétonnage 5. Preuve de la qualité de la géométrie des voies La construction de la voie sans ballast a été effectuée par cycles de 2160 m de lon-

gueur. Pour des raisons de logistique, des traverses préassemblés de 18 m de longueur ainsi que leurs traverses ont été transportés dans le tunnel de base, où ils ont été alignés. Pour permettre la pose exacte des traverses, la chaussée et l’écartement des axes ont été marqués sur les banquettes. L’implantation a été effectuée par tachéomètre à l’aide d’un programme d’implantation de tracé. Tous les 12 m, un point était déterminé à gauche et à droite sur la banquette et ensuite marqué à l’aide d’un cordeau traceur. La grande difficulté résidait finalement dans le positionnement exact des traverses par le constructeur de voies.La tâche de ce dernier consistait à placer les panneaux sur des piends de support ajustables avec une précision de ±10 en position et de ±5 en hauteur. Comme il est plus simple de lever un rail que de l’abaisser, les traverses ont été positionnés 1 cm en dessous de leur hauteur réelle.

Fig. 3: Ordinateur à écran tactile avec données de mesures. 93

AlpTransit Gotthard

Tolérance de pose dans le sens horizontal (géométrie extérieure: bases de mesure, réseau de points fixes compensé)

±3 mm

Erreur d’alignement (géométrie interne: horizontale et verticale, base de mesure 20m, différence sur deux alignements voisins <2 mm, mesuré à une distance de 5 m au milieu de la corde)

<2 mm

Tolérances de pose de la surépaisseur

±2 mm

Torsion

Nmax ≤0.5‰

Tolérance de pose de l’écartement des rails

–1/+3 mm (Ecart-type ≤1 mm)

Tolérance de pose de l’inclinaison des rails

min. 1: 45, max. 1: 35

Tolérances de pose des distances entre les points de support (distance entre les traverses dans le sens de la longueur)

±10 mm Précision angulaire: ±10 mm

Lors de l’alignement grossier avec le système HERGIE, le but était d’ajuster les traverses avec une précision de ±3 mm en position et de 0 mm à -5 mm en hauteur. A l’aide d’un système de levage et d’ajustage (Figure 5), les voies ont été levées, positionnées et fixées avec les pieds de support ajustables tous les 3.6 mètres. Afin de placer les rails dans la position désirée, des procédés d’ajustement itératives étaient nécessaires. En fonction de

Fig. 4: Pose d’une traverse de 18 m. 94

la précision du positionnement préalable des traverses ou de l’exactitude de l’ajustement grossier, un à deux procédés d’ajustement étaient nécessaires. Une des difficultés résidait dans le fait qu’une surcorrection pouvait déplacer à nouveau les voies dans les positions arrières déjà ajustées. Cette étape du travail demandait une grande finesse, notamment parce qu’il fallait estimer, sur la base de la force musculaire nécessaire pour bouger les

traverses, si la section de voie précédente était positionnée plutôt à gauche ou à droite de la position désirée. Le résultat était pris en compte lors de l’ajustement en cours. Lors de la première opération d’ajustement, l’inclinaison des voies a été contrôlée. Les deux voies devaient être inclinées vers l’intérieur dans une proportion de 1:40. A l’aide de supports de fixation d’une épaisseur de 0.1 mm à 0.5 mm, l’inclinaison pouvait être corrigée selon les exigences. Au cours de l’étappe suivante, les traverses ont été supportés des deux côtés, tous les 1.8 m, par des supports en béton et les pieds de support ajustables ont été relevés. Ensuite, la dalle de support des rails d’une hauteur d’environ 25 cm a été bétonnée, ce qui fixait définitivement les supports en béton. Après cette opération, les traverses étaient toujours exposées. Comme à partir de ce moment les voies ne pouvaient être déplacées qu’avec l’aide de cales de levage sur une petite distance, il était important d’effectuer l’étape précédente d’ajustement grossier avec le plus gand soin. Même une petite inexactitude pouvait rendre difficile, voire impossible, l’ajustement fin à l’aide du système de levage et de laborieuses solutions d’urgence devaient être trouvées. L’ajustement fin (Figure 6) a également été effectué avec le wagon de mesure HERGIE par le système de levage et constituait la dernière opération d’ajustement

Fig. 5: Ajustage grossier des voies.

AlpTransit Gotthard

Fig. 6: Ajustage fin des traverses avec une cale de levage. avant le bétonnage des traverses. Cet ajustement demandait une exactitude minutieuse, car il fallait ajuster les voies avec une précision de ±0.2 en position et en hauteur. Il s’est avéré que les courants et les turbulences de l’air dans le tunnel constituaient de gros problèmes. Pour contrer ces problèmes, on ne posait que deux traverses (36 m) par stationnement tachymétrique. La voie était ajustée tous les 1.8 m avec une paire de cales de levage fixée sous les deux voies. Avec l’une des cales, la position et la hauteur de la voie droite pouvait être ajustée et avec l’autre la hauteur de la voie gauche. Cette opération demandait également beaucoup de doigté et plusieurs procédés d’ajustement itératifs. L’ensemble de la voie sans ballast a été ajustée à l’aide de plus de 57 300 cales de levage et à la force des muscles. Le bétonnage de la voie ajustée respectivement des traverses suivait une demi-période de travail (environ 4 heures) plus tard. Durant l’ajout du béton de scellement, un contrôle était effectué par un wagon de mesure à corde longue. Le wagon de mesure à corde longue PLASMA de Rhomberg (Figure 7) était directement relié à l’engin du finisseur de béton et tiré par ce dernier. Ceci permettait de vérifier la variation relative de la hauteur, la variation relative de la position, le dévers, l’écartement des voies et la torsion. Ces relevés servaient à assurer la qualité de la géométrie des voies durant le procédé de bétonnage. Si le wagon de mesure à cor-

Fig. 7: Wagon de mesure à corde longue PLASMA.

de longue avait relevé des déviations dans la géométrie des voies, un signal acustique ainsi qu’un gyrophare les auraient signalées. Après le durcissement du béton de scellement, les traverses de 18 m de longeur étaient détachés des traverses bétonnées et enlevées. Par la suite, des rails longs de 120 m (rails de roulement) étaient placés dans les traverses. Le contrôle final était effectué sur ces rails longs à l’aide du wagon de mesure HERGIE. Les résultats des relevés étaient présentées sous forme de diagramme et d’une liste comportant des indicateurs statistiques. Les parcours de mesure du véhicule de diagnostic des CFF ont confirmé les excellents résultats en matière de qualité de la géométrie des voies. La voie sans ballast d’une longueur de 51.6 km a pu être installée sans retouches et remise au maître de l'ouvrage en juin 2006 pour des parcours de test. L’excellente collaboration et la solidarité entre toutes les personnes impliquées étaient déterminantes pour cette excellente performance. A côté de l’expertise en matière de mensuration, l’entretien, les ajustements et calibrages réguliers des instruments et des senseurs du wagon de mesure ont participé au succès. En raison de sa fiabilité, de sa robustesse et de sa construction très légère, le wagon de mesure HERGIE était particulièrement adapté à cette tâche. Une autre condition indispensable pour les bons résultats obtenus était le réseau de points fixes très dense et précis dans le tunnel.

Malgré les mensurations d’ajustement apparemment monotones et répétitives, les travaux étaient tout sauf ennuyeux pour l’équipe de géomètres. Ils ont étré confrontés des défis nouveaux et inattendus au quotidien. La pression importante liée au temps ne constituait pas seulement une charge, mais également souvent une motivation.

Les dalles support des rails Une fois que plusieurs kilomètres de voie sans ballast avaient été construits du côté valaisan, le gros oeuvre pouvait être achevé du côté bernois à la deuxième moitié de 2005. Ceci permettait pour la première fois l’aménagement du tunnel depuis les deux côtés. Il a été décidé d’installer une dalle de support d’une longeur de 7.3 km du côté bernois pour raccourcir le temps de construction de la voie sans ballast (figure 8). Il s’agissait d’effectuer les relevés pour la machine à coffrages glissants dirigée par une station totale. L’installation de la dalle a été effectuée par une équipe de jour et surveillée par un géomètre. Il était chargé de déplacer et de réorienter le tachéomètre trous les 50 mètres et de contrôler par échantillonnage la commande automatique de la machine à coffrages. Il devait également procéder seul aux relevés de contrôle de la dalle de support durcie. 95

AlpTransit Gotthard

ferrée provisoire était composée de 9 km de voie et de 37 aiguilles. L’implantation de ces constructions provisoires faisait également partie du mandat de mensuration de la technique ferroviaire.

D’autres prestations de mensuration

Fig. 8: Construction de la dalle de support grâce à une machine à coffrage glissants.

La caténaire

La voie ballastée

Pour la caténaire d’une longueur de 60 km, plus de 10 000 points sur ±10 mm, respectivement ±3 mm, devaient être implantés. La majorité des points a été implantée dans la calotte des structures portantes de la caténaire. L’implantation se faisait par station totale à l’aide d’un programme d’implantation de tracé en tenant compte du dévers de la voie. Les points implantés ont été sécurisés par des trous de percement et des marquages de couleur définissant les neuf différents gabarits de perçage pour les percements d’ancrage. L’implantation de la centaine de tendeurs pour le système de tension du fil de la caténaire était particulièrement laborieux avec 14 points chacun. Dans les sections d'excavation à l’explosif, un coffrage courbé sur deux rayons a été implanté sur la surface irrégulière de béton projeté. Pour ce faire, on utilisait des gabarits de traceur graphique de plusieurs mètres et indéchirables, qui étaient ajustés sur trois points implantés et sur lesquels on dessinait ensuite la ligne de surface. L’implantation des points de la caténaire était effectuée durant les quelques jours avant le prochain cycle d’installation de la voie sans ballast.

Les lignes ouvertes de la ligne de base du Lötschberg d’une longueur de 4.6 km ont été équipées d’une voie ballastée. Celleci contenait également des aiguilles à grande vitesse d’environ 160 m. La construction conventionnelle de la voie nécessitait relativement peu d’implantations. La tâche principale se limitait à la reprise et la gestion des nombreuses et différentes géométries des voies et des points de référence provisoires des voies à chaque étape de construction. A partir de ces données, les listes d’installation et les fichiers pour la machine de bourrage étaient établis à l’intention des constructeurs des voies.

Logistique La logistique occupait une place centrale dans ce grand projet. Ainsi, deux grandes places d’installation de 5 ha ont été aménagées pour l’équipement de technique ferroviaire à Rarogne et à Frutigen. Elles comprenaient entre autres un grand point de transfert routier et ferroviaire, deux grandes halles, une centrale à béton, un camp de conteneurs habitables et de nombreux conteneurs à bureaux. La voie

Outre les travaux principaux de mensuration pour la chaussée, la caténaire et la logistique, de nombreuses autres mensurations ont été effectuées pour les autres domaines spécialisés. Ces mensurations se limitaient souvent à des calculs particuliers issus de la géométrie des voies et à des implantations simples ou des photographies. Une des tâches consistait par exemple à établir le profil d’exigences des saisies du balayage laser et leur acquisition. Pour la construction optimale de la vie sans ballast, les preuves des tolérances du gros œuvre du tunnel fournies par le maître d’ouvrage s’avéraient insuffisantes. Pour le déroulement parfait de la construction, des informations exactes sur la position du fond de tunnel, des coques, et tout particulièrement des puits de drainage dans la chaussée étaient d’une importance capitale. Il s’avérait assez rapidement que le fait de mesurer très précisément le gros œuvre permettait de gagner beaucoup de temps lors de la construction de la vie sans ballast. Outre le gros œuvre du tunnel, l’équipe de mensuration de la technique ferroviaire a repris le réseau de repérage des voies et son entretien. La mise en place de ce réseau de base de points fixes a été effectuée par le géomètre mandaté par le maître d’ouvrage. Quelques points du repérage des voies endommagés devaient être repérés et redéfinis. Une des dernières tâches consistait à mesurer le nuage de points pour la Base de données des installations fixes et sa diffusion structurée des données.

Succès, défis et remerciements Pour Wild Ingenieure AG, la mensuration de la technique ferroviaire constituait un

AlpTransit Gotthard

mandat intéressant en tout point. Grâce à une bonne organisation et une équipe de géomètres motivée et flexible, nous étions en mesure d’accomplir toutes les tâches de manière fiable, expéditive et sans accidents. Nos connaissances de base en matière de construction ferroviaire ont contribué à ce succès. Lors des mensurations importantes et soumis à des délais, l’équipement nécessaire incluant aussi bien la clé à écrou que le wagon de mesure et la station totale nous était mis à disposition en quantité plus que suffisante. Le matériel de réserve pour la mensuration était emporté dans un conteneur sur rails et de ce fait toujours disponible et remplaçable. Pour charger les différentes batteries, des prises de courant étaient disponibles tous les 333 m dans les galeries transversales. Lors de changements des équipes, des procédures constantes permettaient une transmission d’informations claire, même lors de périodes de stress intense. L’installation de deux aiguilles à grande vitesse d’une longueur de 160 m dans la voie sans ballast constituait un défi majeur. Les difficultés découlaient du fait que les tolérances de construction des traverses en béton étaient plus grandes que les que les tolérances de pose des aiguilles imposées. Après de nombreux procédés d’ajustement de la voie principale et des voies d’évitement une aiguille a été ajustée en parallèle, à l’aide de deux wagons de mesures. Après quelques heures, l’aiguille était positionnée conformément

aux tolérances exigées et pouvait être bétonnée. Six mois plus tard, on s’est attelé à l’ajustement de la deuxième aiguille à grande vitesse avec confiance et une expérience renforcée. Mais malgré le fait que les connaissances et astuces acquises lors de l’installation de la première aiguille évitaient les casse-têtes, l’ajustement de la deuxième aiguille ne se faisait pas plus rapidement. Cette deuxième aiguille a été installée en 48 heures conformément aux les tolérances exigées. Le travail en trois équipes dans des conditions climatiques difficiles constituait l’une des plus grandes difficultés du travail. De plus, durant les cycles d'équipe qui leur étaient attribués, les géomètres devaient être atteignables et opérationnels 24 heures sur 24 pour des situations d’urgences. Les travaux de mensurations étaient strictement liés aux déroulements et au progrès des travaux effectués par l’équipe de construction des voies. Et il est bien connu que ce sont en principe les géomètres qui s’adaptent très rapidement au calendrier des autres. Il n’en était pas autrement lors de la construction de la voie sans ballast. Des cycles d’équipe étaient soit annulés, soit menées à double pour permettre le maintien d’un cycle de travail optimal. Une journée normale pour un géomètre débutait 1 à 2 heures avant le début du cycle d’équipe. Depuis la place d’installation, il contactait par radio le géomètre dans le tunnel et se renseignait sur l’état des travaux et sur d’éventuels problèmes.

Il se rendait en suite dans le train de transport des équipes qui l’amenait en une heure jusqu’au front du tunnel. Lors de la prise en charge des travaux il vérifiait tout d’abord dans quelle niche les batteries de rechange étaient mises en charge et effectuait un calibrage complet des senseurs. Après huit heures de travail dans le tunnel, le train le ramenait à la place d’installation. Une longue et fatigante journée de 10 à 12 heures se terminait par un repas chaud et une bière de fin de journée dans la cantine. Durant l’installation de la voie sans ballast nos géomètres étaient engagés en cycles de trois équipes. Dans les 3 à 5 jours de préparation du cycle suivant, ils effectuaient le reste des travaux de mensuration, les analyses et les protocoles. Deux années durant, ce projet a demandé un effort extraordinaire à nos géomètres. Il n’était rendu possible que grâce à un très grand engagement personnel et des sacrifices dans la vie privée. Je tiens à remercier encore une fois notre équipe de géomètres et leurs familles pour cet engagement.

. Bruno Tanner Pat. Ingenieur-Geometer Wild Ingenieure AG CH-6403 Küssnacht am Rigi bruno.tanner@wilding.ch

AlpTransit Gotthard

Monitoring – Un défi relevé Les procédés de construction tels que ceux appliqués dans le cadre des NLFA exigent dans tous les domaines des efforts auxquels doivent… et veulent consentir les entreprises mandataires. Ceci est bien entendu aussi le cas des mesurages de surveillance à terre et souterrains. Quelques-uns de ces défis sont décrits ci-après, en rétrospective avec un brin d’humour.

M. Bertges De nos jours, la supervision des déformations est pour la majorité des géomètres une partie naturelle de leur travail quotidien, que ce soit dans le cadre de constructions, de conservation d’édifice ou de sécurité routière. Lorsqu’on les questionne sur les tâches y relatives, ils vous évoqueront les suivantes: «saisie», «analyse», «visualisation/documentation». Dans le domaine de la surveillance automatisée, toutefois, un élément important, à savoir la «transmission des données» fait défaut. Les connaissances à ce sujet se limitent souvent aux moyens informatiques disponibles. Ceci n’est pas dû à une formation déficiente, mais constitue un bel exemple de la coopération interdisciplinaire dans le domaine de l'ingénierie.

GBT – ARGE Lot349 Lorsque nous avons été mandatés en été 2002 de mettre en place un système de surveillance d‘édifice automatisé, nous devions avant tout résoudre le problème de la transmission des données. Durant la phase de construction, ARGE Lot349 devait surveiller cinq points sélectionnés dans le terrain au moyen du système GNSS. Les récepteurs GNSS ainsi qu’une source de courant photovoltaïque étaient à disposition. Il restait toutefois à installer les cinq stations de mesure GPS, qui devait être positionnés à une hauteur entre 2000 et 2600 mètres dans les hautes montagnes. Ces endroits ne sont acces98

sibles que quelques mois par année et la seule alternative est d’utiliser un hélicoptère. De plus, les conditions météorologiques sont difficiles et il n’y a ni couverture GPRS/UMTS, ni de fréquences libres pour la transmission radio, mais uniquement le réseau GSM. Pour résoudre ces problèmes, il était nécessaire de mettre en place un réseau de systèmes de capteurs automatiques et autonomes. Le système DC3 qui a été choisi utilise des microcontrôleurs qui surveillent en permanence et le récepteur GNSS et le modem GSM. En cas d’erreur, le microcontrôleur annule et réinitialise le récepteur et le module GSM. Au besoin, le planificateur intégré au microcontrôleur peut être utilisé pour mesurer de manière autonome sans contact GSM. L’accès à ce système est protégé par un nom d’utilisateur et un mot de passe. Durant la phase initiale, les participants devaient s’habituer au fonctionnement particulier du réseau GSM. Ainsi, durant la saison de ski, certains récepteurs étaient occasionnellement difficilement accessibles durant les weekends du fait d’une surcharge du réseau. L’orientation des antennes directionnelles a pu être optimisée grâce aux procédures de test intégrées dans le système. Durant le premier hiver, le serveur DC3 a totalement perdu contact avec l’une des stations dû à l’enneigement d’un panneau photovoltaïque. Une autre perte de contact était due à des personnes peu honnêtes qui ont trouvé l’équipement photovoltaïque et qui, pensant qu’il pouvait parfaitement servir dans un autre environnement, l’ont emmené.

Fig. 1: Station GNSS. Durant l’été 2007, cinq stations additionnelles ont été installées pour la surveillance du terrain avec le système DC3.

MFS Faido – Amberg Technologies Au printemps 2006, le personnel du site de construction MFS Faido a été surpris par des chutes de pierre. La population locale a ressenti ces chutes de pierre sous forme de faibles tremblements de terre. Deux systèmes autonomes de surveillance DC3 et une station totale ont été installés pour soutenir les recherches géologiques dans les zones de faille. Un système d’alarme en cas de dépassement de valeurs limites n’était pas nécessaire. Le défi était d’assurer la transmission continuelle des données. Etant donné que les deux systèmes ne pouvaient pas être alimentés par le secteur, ils étaient branchés sur une prise de protection du système d’alimentation du site de construction. Les systèmes d’alarme existants étaient utilisés pour indiquer le fonctionnement sur batterie en cas de panne d’électricité. Au début de l’installation, de nombreuses prises électriques étaient disponibles,

AlpTransit Gotthard

mais une année à une année et demie plus tard, leur nombre s’est avéré insuffisant. La station multifonction de Faido était équipée de deux lumières clignotantes, qui remplissaient mal leur fonction et ne motivaient surtout pas les usagers temporaires de «nos» prises de rebrancher le système correctement. Heureusement, les géomètres passaient souvent près des systèmes de surveillance et ont de ce fait été en mesure de minimiser la perte de données.

CBT – IG Ceneri Lot704 Le portail Nord du tunnel de base du Ceneri est situé en dessous de l’autoroute A2, qui passe dans ce secteur sur une rampe en direction du col de Ceneri. Il s’agit du seul axe autoroutier nord-sud dans cette région des alpes. Si durant les travaux de construction des déformations de l’autoroute ou de la rampe devaient se produire, l’autoroute devra être fermée au trafic. Il est bien connu qu’un système complexe d’installations techniques combiné à l’action humaine est un terrain propice aux fausses alarmes. En tenant compte de la validité universelle de la «Loi de Murphy», les fausses alarmes provoquant une fermeture de l’autoroute pourraient se produire dans le pire des cas le weekend durant les vacances. Les entrepreneurs n’étaient évidemment pas disposés à envisager de tels scénarios. Il était donc impératif d’installer un système d’alerte fiable et solide. Dans un premier temps, les divers capteurs – capteurs géotechniques, station

totale et GNSS – étaient répartis sur des systèmes de monitoring séparés. Ces différents systèmes de surveillance étaient reliés et interconnectés par des réseaux IP. Les serveurs principaux et les modules de communication étaient installés dans un conteneur près du site de construction. L’étape suivante consistait à diviser les capteurs géotechniques en deux groupes, dont chacun est géré par un système de surveillance DC3 autonome (y compris l’analyse et la production de graphiques). Les deux systèmes sont dotés de systèmes d’alimentation sans coupure permettant une opération continue pendant 90 minutes dans le cas d’un problème grave tel qu’une rupture de connexion à la centrale. Dans ce cas, le système WLAN était prévu comme canal de sauvegarde. Dans une étape finale, un système permettant d’analyser la relation causale entre les valeurs des capteurs individuels dans les forages et les groupes de capteurs dans plusieurs forages. Il en résultait les niveaux d’alertes suivantes: «alarme hardware», «alerte» et «alarme». Pour pouvoir alerter les différents groupes de personnes, il était nécessaire de mettre en œuvre un concept d’alarme à plusieurs niveaux avec validations. Les alertes étaient diffusées par SMS suivis d’un message vocal, avec un contenu correspondant aux divers niveaux d’alerte. Si la personne contactée ne répondait pas dans un certain délai, l’alerte était automatiquement transmise à leur remplaçante ou leur remplaçant. Ce projet nous a évidemment aussi posé de nombreux petits défis, qui font rétros-

pectivement sourire (on l’espère) les personnes impliquées. Comme, par exemple, le câble cassé que nous avions réparé de manière provisoire dû aux contraintes de temps et qui a été noyé dans les profondeurs d’forage le lendemain après une pluie abondante, ou les araignées, qui trouvaient que nos prismes les abritaient bien de la pluie et qui s’y installaient, les fourmis autour des boites électroniques dans l’un des forages, la communication radio qui fonctionnait jusqu’au moment ou un autre usager du chantier utilisait la même fréquence et de nombreuses autre anecdotes. Pour finir, un grand merci à tous les collègues et les entreprises impliquées qui nous ont permis par leur collaboration amicale d‘apporter notre contribution au succès final.

Martin Bertges Dr. Bertges Vermessungstechnik Flurstrasse 7 D-66887 Neunkirchen am Potzberg mbertges@drbertges.de www.deformationsmesstechnik.de

AlpTransit Gotthard

Un long travail de précision salué par 300 spécialistes de la mensuration Performance technique de la mensuration du plus long tunnel du monde: seuls des écarts horizontal de 8 cm et vertical de 1 cm ont été mesurés lors du percement principal du tunnel de base du Gothard le 15 octobre 2010. A l’occasion d’une conférence à l’EPF de Zurich, 300 spécialistes de la mensuration de Suisse, d’Allemagne et d’Autriche ont salué la précision obtenue. Fig. 2: Le professeur H. Ingensand pendant ses explications passionnantes.

R. Probst, D. Fasler Isch

Conférence à l’occasion du percement principal du Gothard La multiplicité des défis à relever par la mensuration pour les travaux souterrains a été abordé lors de cette conférence intitulée «Au millimètre près à travers le Saint-Gothard». Cette manifestation a eu lieu à l’EPF Zurich, Science City Hönggerberg, le 29 octobre 2010, exactement deux semaines après le percement principal réussi du tunnel de base du Gothard entre Sedrun et Faido. Environ 300 spé-

cialistes de la mensuration et de la géomatique venus de Suisse, d’Allemagne et d’Autriche ont participé à cette journée organisée par AlpTransit Gotthard SA et l’EPF Zurich (chaire de technique de mensuration géodésique et de géodésie d’ingénierie, professeur H. Ingensand). Ces défis à relever par la mensuration pour la construction de tunnels et particulièrement pour le tunnel de base du Gothard ont été mis en lumière dans une perspective théorique et pratique. Hilmar Ingensand, professeur de géodésie d’ingénierie, a expliqué les développements et les innovations dans le domaine de la technique de mensuration et des instruments de précision, qui ont été favorisés

Fig. 1: Intervenants des exposés succincts dans l’après-midi. 100

et accélérés grâce au projet AlpTransit. Roland Stengele a commenté les divergences entre théorie et pratique rencontrées pendant les 15 années de travaux dans le tunnel, du point de vue du consortium responsable de la mensuration du tunnel de base du Gothard (VI GBT) et mandaté par le maître d’ouvrage AlpTransit Gotthard SA.

Aperçu des diverses tâches de mensuration Au cours de l’après-midi, les spécialistes ont donné à travers une série d’exposés succincts un aperçu impressionnant des nombreuses tâches réalisées dans le do-

AlpTransit Gotthard

Fig. 3: Discussions animées entre spécialistes. maine de la géomatique. Le spectre s’étend de la conduite des avancements, de la surveillance des barrages et autoroutes à l’examen des voûtes du tunnel par balayage laser. Le contrôle du montage de la voie ferrée fixe dans le tunnel, qui exige une précision au dixième de millimètre près, en fait également partie.

Remerciements aux participants et sponsors Le succès de cette manifestation est dû en grande partie à la contribution des participants et sponsors suivants: équipe organisatrice du Professeur Ingensand, technique de mensuration géodésique et de géodésie d’ingénierie, de l’EPF Zurich, sous la direction de Susann Naldi, Dominik Werne, chef de la Bauhalle, et son équipe, Daniel Bäni, responsable du montage de l’exposition, le service SV pour la restauration remarquable durant la journée et le soir, l’équipe auviso, responsable de la technique audio/vidéo, le service communication et la géomatique d’AlpTransit Gotthard SA. Cette journée n’au-

rait pas pu avoir lieu sans les contributions généreuses des sponsors. Nous remercions cordialement les sponsors Or: BSF Swissphoto, Grünenfelder et Partner, Consorzio TAT et l’Office fédéral de topographie; les sponsors Argent: Amberg Technologies, Gisi e Bernasconi / Geofoto et Studio Meier et les sponsors Bronze: Dr. Bertges Vermessungstechnik, Goecke, Grunder Ingenieure, IngénieursGéomètres Suisse et ristag Ingenieure. Un grand merci également au Fonds Gerold et Niklaus Schnitter pour l’histoire des techniques à l’EPF Zurich pour son soutien.

Rahel Probst et Daniela Fasler Isch AlpTransit Gotthard SA Zentralstrasse 5 CH-6003 Luzern rahel.probst@alptransit.ch daniela.fasler@alptransit.ch

Exposants présents à la conférence La conférence intitulée «Au millimètre près à travers le Saint-Gothard» a permis, en plus des rencontres et de la restauration culinaire, de s’informer sur les nou- veautés dans le domaine de la géomatique aux nombreux stands des exposants suivants: Amberg Technologies, ARGE Fahrbahn TTG (consortium voie ferrée) / Grunder Ingenieure, BSF Swissphoto / Grünenfelder et Partner, l’Office fédéral de topographie, département des constructions, Environnement et géomatique de l’EPF, DMT, Dr. Bertges Vermessungstechnik, Société pour l’histoire de la géodésie en Suisse, Goecke, Leica Geosystems, ristag Ingenieure, Schenkel Vermessungen, Université technique de Munich (chaire de géodésie) et VMT.

101

Nous livrons aux Maîtres d’oeuvre des informations foncières complètes Nous livrons rapidement des informations foncières fiables et actuelles. Nous soutenons ainsi la réalisation de projets de construction. Nos informations portent sur: • les restrictions de droit public à la propriété foncière notamment sur: – les limites de construction – les possibilités de construction • les restrictions de droits privés à la propriété foncière: – les mentions – les restrictions et annotations inscrites au registre foncier • les possibilités de morcellement • la situation des cadastres existants (par exemple souterrains, bruit, sites pollués etc.) • les possibilités d’aménagement des parcelles Nos prestations facilitent la réalisation de projets d’architecture ou de génie civil Nous aidons à l’établissement de projets de construction, ceci lors de toutes les phases de leur réalisation. Nous collaborons avec les différents intervenants lors des phases liées à l’élaboration d’un projet de construction. Nos prestations permettent un gain d’efficacité lors de la réalisation de ces projets. Les Ingénieurs-Géomètres: • renseignent sur les possibilités en matière foncière • analysent et livrent les données de base disponibles • saisissent les données existantes sur le terrain • collaborent et supervisent les projets de construction du point de vue géométrique • collaborent avec les urbanistes aux modifications d’affectation du sol dans le cadre de nouveaux plans d’aménagement • conseillent et coordonnent de manière objective et indépendante Nous pratiquons un «partenariat publique-privé» avec les communes, les cantons et la Confédération Grâce à nos compétences, nous contribuons de manière efficace au développement de l’espace naturel et construit. Nous instaurons pour cela des procédures de type «partenariat publique-privé». Exemples de projets: • Aménagement de cours d’eau, protection contre les hautes eaux, remise en culture • Remaniements parcellaires agricoles et de terrains à bâtir • Saisie, gestion et mise à jour de données relatives au territoire • Création et gestion de SIT communaux et régionaux • Gestion de cadastre des restrictions de droit public à la propriété (type cadastre 2014) • Réalisation et mise à jour des données de la mensuration officielle, selon les standards MO93 et MD.01-MO • Mensurations techniques et industrielles

Contact Ingénieurs-Géomètres Suisses (IGS) Kapellenstrasse 14 | Boîte postale 5236 3001 Berne, Suisse Téléphone +41 (0)31 390 98 84 Fax +41 (0)31 390 99 03 info@igs-ch.ch | www.igs-ch.ch