Navigation souterraine : Guide mondial sur la construction de tunnels et l'utilisation de l'espace souterrain

La Terre sous nos pieds devient de plus en plus une frontière pour l'innovation et le développement. Alors que l'espace en surface se raréfie, en particulier dans les zones urbaines densément peuplées, l'utilisation de l'espace souterrain offre des solutions pour les infrastructures, le transport, le stockage et même l'habitat. Ce domaine en pleine expansion repose fortement sur une navigation souterraine précise et fiable, une discipline complexe qui garantit que les tunnels sont creusés correctement, que les infrastructures sont placées avec précision et que les espaces souterrains sont utilisés de manière sûre et efficace.

Ce guide offre un aperçu complet de la navigation souterraine, explorant les technologies, les techniques et les défis liés à la cartographie et à la navigation dans le monde souterrain. Des méthodes de topographie traditionnelles aux systèmes robotiques de pointe, nous examinerons les diverses approches utilisées à l'échelle mondiale pour maîtriser les complexités de la construction et de l'utilisation de l'espace souterrain.

L'importance d'une navigation souterraine précise

Une navigation précise est primordiale pour une multitude de raisons :

Sécurité : Des tunnels mal alignés ou des infrastructures mal placées peuvent entraîner des défaillances structurelles catastrophiques et mettre des vies en danger.
Rentabilité : La correction des erreurs dans la construction souterraine est exceptionnellement coûteuse et chronophage. Une navigation précise minimise le risque de telles erreurs coûteuses.
Efficacité : Une navigation précise permet une construction plus rapide et plus efficace, réduisant les délais des projets et les dépenses associées.
Interconnectivité : Les infrastructures souterraines, telles que les tunnels pour le transport ou les services publics, doivent se connecter de manière transparente aux réseaux existants. Une navigation précise garantit un alignement et une intégration corrects.
Protection de l'environnement : Une navigation précise aide à minimiser les perturbations de l'environnement avoisinant, en protégeant les ressources en eaux souterraines et en prévenant les affaissements de terrain.

Techniques de topographie traditionnelles

Bien que les technologies modernes soient de plus en plus répandues, les techniques de topographie traditionnelles jouent encore un rôle essentiel dans la navigation souterraine, en particulier dans les projets de plus petite envergure ou comme système de secours. Ces méthodes reposent sur des mesures précises d'angles et de distances pour établir des points de contrôle et guider la construction.

Stations totales

Les stations totales sont des instruments électroniques utilisés pour mesurer les angles horizontaux et verticaux, ainsi que les distances, avec une grande précision. Dans les applications souterraines, les stations totales sont généralement installées sur des plates-formes stables à l'intérieur du tunnel et utilisées pour établir un réseau de points de contrôle. Ces points de contrôle servent de lieux de référence pour guider le tunnelier (TBM) ou d'autres équipements d'excavation.

Exemple : Lors de la construction du tunnel de base du Gothard en Suisse, les topographes ont utilisé un réseau de stations totales de haute précision pour maintenir un alignement précis tout au long du projet. Le tunnel, long de plus de 57 kilomètres, a nécessité une topographie méticuleuse pour garantir que les deux extrémités se rejoignent avec précision sous les Alpes.

Topographie gyroscopique

La topographie gyroscopique utilise des gyroscopes pour déterminer la direction du nord géographique, indépendamment des champs magnétiques. Ceci est particulièrement utile dans les environnements souterrains où les interférences magnétiques peuvent compromettre la précision des mesures basées sur la boussole. Les levés gyroscopiques sont souvent utilisés pour établir l'alignement initial d'un tunnel ou pour vérifier la précision d'autres méthodes de navigation.

Exemple : La topographie gyroscopique a été employée lors de la construction du tunnel sous la Manche (Chunnel) reliant l'Angleterre et la France. La technologie a permis de maintenir un alignement précis malgré les conditions géologiques difficiles et l'absence de références directes en surface.

Technologies modernes pour la navigation souterraine

L'avènement des technologies de pointe a révolutionné la navigation souterraine, permettant une plus grande précision, efficacité et automatisation. Ces technologies offrent des solutions pour naviguer dans des conditions géologiques complexes, pour de longs percements de tunnels et dans des environnements urbains difficiles.

Systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS)

Bien que les signaux GNSS (comme GPS, GLONASS, Galileo et BeiDou) ne puissent pas pénétrer la surface de la Terre, ils jouent un rôle crucial dans l'établissement de points de contrôle en surface qui sont ensuite transférés sous terre via des puits verticaux ou d'autres points d'accès. Ces points de contrôle en surface servent de base au réseau topographique souterrain.

Exemple : Avant de commencer les travaux de creusement d'une nouvelle ligne de métro à Tokyo, les topographes utilisent des récepteurs GNSS pour établir un réseau précis de points de contrôle en surface. Ces points sont ensuite transférés sous terre pour guider le tunnelier et garantir un alignement précis.

Systèmes de navigation inertielle (INS)

L'INS utilise des accéléromètres et des gyroscopes pour mesurer les changements de position et d'orientation. Les unités INS peuvent être montées sur les tunneliers ou d'autres équipements d'excavation pour fournir des données de navigation continues, même en l'absence de références externes. L'INS est particulièrement utile pour les longs percements de tunnels où l'accès aux points de contrôle en surface est limité.

Exemple : Lors de la construction d'un long tunnel hydraulique à Melbourne, en Australie, un système INS a été intégré au tunnelier pour fournir des données de navigation continues. Cela a permis au tunnelier de maintenir un alignement précis malgré l'absence de signaux GPS sous terre et les conditions géologiques difficiles.

Systèmes de guidage pour tunnelier (TBM)

Les tunneliers modernes sont équipés de systèmes de guidage sophistiqués qui intègrent diverses technologies de navigation, telles que les stations totales, l'INS et le balayage laser. Ces systèmes fournissent des informations en temps réel sur la position, l'orientation et le cap du tunnelier, permettant aux opérateurs de faire des ajustements et de maintenir un alignement précis.

Exemple : Le projet Crossrail à Londres a utilisé des systèmes de guidage de tunnelier avancés pour naviguer à travers un réseau complexe d'infrastructures souterraines existantes. Les tunneliers étaient équipés de scanners laser qui créaient des modèles 3D des tunnels environnants, permettant aux opérateurs d'éviter les collisions et de maintenir un alignement précis.

Balayage laser

Le balayage laser, également connu sous le nom de LiDAR (Light Detection and Ranging), est utilisé pour créer des modèles 3D détaillés des environnements souterrains. Les scanners laser émettent des faisceaux laser qui rebondissent sur les surfaces, et la lumière réfléchie est utilisée pour mesurer la distance et la position de l'objet scanné. Ces modèles 3D peuvent être utilisés pour une variété d'applications, y compris les levés de l'ouvrage fini, la surveillance des déformations et la détection des interférences.

Exemple : Après l'achèvement d'une nouvelle station de métro à Séoul, en Corée du Sud, le balayage laser a été utilisé pour créer un modèle 3D détaillé de la station. Ce modèle a ensuite été utilisé pour vérifier que la station a été construite conformément aux spécifications de conception et pour identifier tout danger potentiel pour la sécurité.

Localisation et cartographie simultanées (SLAM)

Le SLAM est une technique utilisée par les robots pour construire simultanément une carte de leur environnement et se localiser sur cette carte. Les algorithmes SLAM s'appuient généralement sur des capteurs tels que des caméras, des scanners laser ou des capteurs à ultrasons. Le SLAM est de plus en plus utilisé dans la navigation souterraine pour cartographier les tunnels et autres espaces souterrains en temps réel.

Exemple : Des chercheurs développent des systèmes robotiques basés sur le SLAM pour inspecter et cartographier les mines abandonnées en Pologne. Ces robots peuvent naviguer dans les galeries de mine sombres et dangereuses, créant des cartes 3D détaillées qui peuvent être utilisées pour évaluer la stabilité de la mine et identifier les risques potentiels.

Méthodes géophysiques

Les méthodes géophysiques sont utilisées pour étudier la géologie du sous-sol et identifier les dangers potentiels, tels que les failles, les cavités ou les eaux souterraines. Ces méthodes comprennent la sismique réflexion, le géoradar (GPR) et la tomographie de résistivité électrique (TRE). Les levés géophysiques sont généralement effectués avant le début des travaux de creusement pour fournir des informations précieuses sur les conditions du terrain.

Exemple : Avant de commencer la construction d'un nouveau tunnel ferroviaire en Norvège, des géophysiciens ont réalisé un levé de sismique réflexion pour cartographier la géologie du sous-sol. Le levé a identifié une zone de roche fracturée qui pourrait présenter un risque pour la construction du tunnel. Sur la base de ces informations, les ingénieurs ont ajusté le tracé du tunnel pour éviter la zone fracturée.

Défis de la navigation souterraine

La navigation souterraine présente plusieurs défis uniques :

Accès limité aux signaux GNSS : La surface de la Terre obstrue les signaux GNSS, ce qui rend difficile l'établissement d'un positionnement précis sous terre.
Conditions géologiques complexes : La diversité des types de sols et de roches, les failles et les eaux souterraines peuvent avoir un impact significatif sur la précision des systèmes de navigation.
Interférences magnétiques : Les environnements souterrains contiennent souvent des champs magnétiques qui peuvent interférer avec la navigation par boussole.
Visibilité limitée : L'obscurité et la poussière peuvent rendre difficile l'utilisation d'instruments de topographie optiques.
Défis de communication : Maintenir une communication fiable entre les équipes en surface et souterraines peut être difficile, en particulier dans les tunnels profonds.
Normes réglementaires et de sécurité : La construction souterraine est soumise à des normes réglementaires et de sécurité strictes, qui peuvent varier considérablement d'un pays à l'autre.

Meilleures pratiques pour la navigation souterraine

Pour surmonter les défis de la navigation souterraine, il est essentiel de suivre les meilleures pratiques :

Étude géotechnique complète : Mener des études géotechniques approfondies pour comprendre les conditions du sol et identifier les dangers potentiels.
Établir un réseau de contrôle topographique robuste : Établir un réseau dense et précis de points de contrôle topographiques, tant en surface que sous terre.
Utiliser des systèmes de navigation redondants : Employer plusieurs systèmes de navigation pour assurer la redondance et garantir la précision. Par exemple, combiner l'INS avec des mesures de station totale.
Calibrer et vérifier régulièrement l'équipement : Calibrer et vérifier régulièrement la précision de tous les équipements de topographie et de navigation.
Mettre en œuvre un programme de contrôle qualité rigoureux : Mettre en œuvre un programme de contrôle qualité rigoureux pour identifier et corriger les erreurs dès le début du processus de construction.
Former adéquatement le personnel : S'assurer que tout le personnel impliqué dans la navigation souterraine est correctement formé et expérimenté.
Respecter les réglementations et normes en vigueur : Respecter toutes les réglementations et normes de sécurité en vigueur.
Protocoles de communication efficaces : Établir des protocoles de communication clairs et fiables entre les équipes de surface et souterraines.

Exemples mondiaux de succès en navigation souterraine

De nombreux projets à travers le monde démontrent l'application réussie des techniques de navigation souterraine :

Le système d'égouts en tunnel profond (DTSS) de Singapour : Ce projet colossal implique la construction d'un réseau de tunnels profonds pour collecter et traiter les eaux usées. Une navigation précise a été essentielle pour garantir l'alignement correct des tunnels et minimiser les perturbations pour la ville densément peuplée en surface.
L'extension du métro de Madrid : L'extension du métro de Madrid a impliqué la construction de nouveaux tunnels et stations sous un environnement urbain complexe. Des systèmes de guidage de tunnelier avancés et le balayage laser ont été utilisés pour naviguer à travers les infrastructures existantes et assurer une perturbation minimale de la ville.
Le projet Snowy 2.0 (Australie) : Ce projet de stockage d'énergie par pompage-turbinage consiste à relier deux réservoirs existants par une série de tunnels. Une navigation précise est cruciale pour assurer l'alignement exact des tunnels et maximiser l'efficacité du système de stockage d'énergie. Le projet intègre une gamme variée de techniques de navigation adaptées au terrain difficile.
Le tunnel du Seikan au Japon : L'un des plus longs tunnels sous-marins du monde, le tunnel du Seikan relie les îles de Honshu et Hokkaido. Construit dans des conditions géologiques difficiles, une topographie précise et des techniques d'excavation innovantes ont été essentielles à son succès.

Tendances futures de la navigation souterraine

Le domaine de la navigation souterraine est en constante évolution, stimulé par les avancées technologiques et la demande croissante d'espaces souterrains. Certaines des principales tendances qui façonnent l'avenir de la navigation souterraine incluent :

Automatisation accrue : L'utilisation croissante de robots et de systèmes automatisés pour la construction souterraine stimulera le développement de technologies de navigation plus sophistiquées.
Intelligence artificielle (IA) et apprentissage automatique (ML) : Les algorithmes d'IA et de ML seront utilisés pour analyser les données de divers capteurs et améliorer la précision et l'efficacité des systèmes de navigation.
Réalité virtuelle et augmentée (VR/AR) : Les technologies VR et AR seront utilisées pour visualiser les environnements souterrains et fournir un guidage en temps réel aux équipes de construction.
Gestion des données basée sur le cloud : Les plateformes basées sur le cloud faciliteront le partage et la gestion des données de navigation, permettant une meilleure collaboration entre les parties prenantes du projet.
Détection quantique : Les technologies émergentes de détection quantique promettent de fournir des données de navigation encore plus précises et fiables, en particulier dans les environnements souterrains difficiles.

Conclusion

La navigation souterraine est une discipline essentielle qui permet une utilisation sûre, efficace et durable de l'espace souterrain. Des techniques de topographie traditionnelles aux technologies de pointe, une gamme variée d'approches est utilisée à l'échelle mondiale pour maîtriser les complexités du monde souterrain. En comprenant les défis et en adoptant les meilleures pratiques, les ingénieurs et les professionnels de la construction peuvent libérer l'immense potentiel de l'espace souterrain et créer un avenir plus durable.

Alors que les populations urbaines continuent de croître et que l'espace en surface se raréfie, l'importance de la navigation souterraine ne fera qu'augmenter. En adoptant l'innovation et la collaboration, nous pouvons continuer à repousser les limites du possible et à créer un environnement bâti plus résilient et durable.