Des ingénieurs chinois déploient un premier système à mélange ternaire de gaz pour un tunnel ferroviaire sous-marin record

Une avancée sous les flots

La Chine a déployé un système de creusement de tunnelier à mélange ternaire de gaz, une première, pour soutenir la construction du tunnel sous-marin de Jintang, une liaison ferroviaire de 16,18 kilomètres qui deviendra le plus long tunnel ferroviaire à grande vitesse sous-marin au monde. Cette technologie développée dans le pays permet aux ouvriers de travailler en toute sécurité à des pressions qui dépassent largement les limites habituelles, marquant une avancée majeure dans l’ingénierie souterraine. Le système est entré en service sur le tronçon du tunnel situé côté Zhoushan, où les équipes sont confrontées à certaines des conditions les plus exigeantes jamais rencontrées dans la construction ferroviaire. En mélangeant de l’hélium, de l’azote et de l’oxygène dans des proportions précises, l’équipement préserve la vie et la vigilance des personnes dans un environnement où la pression de l’eau et du sol atteint des niveaux habituellement associés à l’exploration des grands fonds marins plutôt qu’au creusement de tunnels.

Au cœur du plus long tunnel ferroviaire sous-marin à grande vitesse

Le tunnel de Jintang reliera Ningbo à Zhoushan en passant sous une voie navigable très fréquentée, dans la province chinoise du Zhejiang, à l’est du pays. Une fois achevé, ce corridor de 16,18 kilomètres détiendra le record mondial du plus long tunnel ferroviaire sous-marin à grande vitesse, dépassant de loin les liaisons ferroviaires sous-marines existantes par sa longueur et sa complexité. Le projet constitue un tronçon essentiel d’un réseau de transport plus vaste, conçu pour rapprocher davantage le continent de Zhoushan, une ville archipel dont l’isolement géographique pose depuis longtemps des difficultés logistiques aux voyageurs comme au transport de marchandises.

Les équipes qui travaillent du côté de Zhoushan sont chargées d’un tronçon de 6 270 mètres creusé au tunnelier, soit une distance qui nécessite plusieurs mois de forage continu dans des terrains de géologie variable sous les fonds marins. Les tunneliers creusent des galeries circulaires tout en installant des structures de soutènement pour éviter les effondrements. Ces géants mécaniques s’appuient sur des têtes de coupe rotatives pour broyer la roche et les sédiments, mais leurs outils s’usent et doivent être régulièrement inspectés ou remplacés. Effectuer ces opérations de maintenance dans une chambre pressurisée, profondément sous la ligne de flottaison, figure parmi les tâches les plus dangereuses du génie civil.

Pourquoi les méthodes traditionnelles atteignent leurs limites

Les opérations en chambre à très haute pression comptent parmi les défis les plus redoutables du creusement au tunnelier. Depuis des décennies, les équipes ont recours à des systèmes d’air comprimé pour empêcher l’eau d’envahir la chambre d’excavation pendant que des ouvriers y interviennent pour entretenir la tête de coupe. Les techniques classiques à air comprimé sont soumises à une limite de pression reconnue de 0,5 mégapascal. Au-delà de ce seuil, le risque d’accident de décompression et d’autres dangers physiologiques augmente fortement, rendant l’accès humain extrêmement périlleux.

Le tunnel de Jintang repousse toutefois ces anciennes limites. Son tronçon le plus profond se trouve à 78 mètres sous le niveau de la mer, où la pression cumulée de l’eau et du sol atteint 0,85 mégapascal. Pour se représenter cette force, imaginez environ 30 kilogrammes qui s’exercent sur une surface pas plus grande qu’une pièce d’un yuan. Une telle concentration de pression serait impossible à supporter pour des ouvriers avec les protocoles d’air comprimé habituels. Le projet exigeait une approche fondamentalement différente en matière de maintien en vie et de gestion de la pression.

S’inspirer des grands fonds marins

Face à cet obstacle extrême, l’équipe de construction s’est tournée non pas vers les technologies minières conventionnelles, mais vers la plongée en grande profondeur. La plongée à saturation et les systèmes respiratoires à mélange gazeux permettent depuis longtemps aux plongeurs professionnels de travailler à des profondeurs où le simple air comprimé serait mortel. Les mêmes principes physiologiques s’appliquent, qu’un ouvrier répare une infrastructure sur une plateforme pétrolière offshore ou remplace des composants usés sur la tête de coupe d’un tunnelier, à des centaines de mètres sous terre. Les ingénieurs ont adapté ces principes maritimes pour concevoir un système à mélange ternaire d’hélium, d’azote et d’oxygène spécifiquement destiné au creusement de tunnels.

L’hélium est l’ingrédient qui change la donne. Contrairement à l’azote, qui constitue la majeure partie de l’air ordinaire, l’hélium est peu dense et se diffuse rapidement dans les tissus. Sous une pression extrême, les gaz respiratoires habituels entraînent une dissolution dangereuse de l’azote dans le sang, provoquant une narcose, parfois appelée ivresse des profondeurs, qui trouble le jugement et ralentit les réflexes. Un ouvrier désorienté à des centaines de mètres sous terre met en danger sa propre sécurité et celle de ses collègues. L’oxygène lui-même devient toxique lorsqu’il est respiré longtemps à des pressions partielles élevées. L’hélium permet d’éviter ces deux problèmes et offre un milieu plus sûr qui aide les ouvriers à conserver leur lucidité et leur stabilité physiologique dans des conditions comparables à celles des grands fonds marins.

L’adaptation des technologies de plongée au creusement de tunnels illustre une tendance croissante dans l’ingénierie des infrastructures, où les solutions franchissent de plus en plus les frontières entre disciplines. Ce qui fonctionne pour les plongeurs des plateformes pétrolières offshore peut, après des adaptations minutieuses, protéger les équipes de construction ferroviaire à des centaines de mètres sous terre. Cette convergence entre sciences marines et génie civil pourrait définir la prochaine génération de projets souterrains dans les régions côtières du monde entier.

Fonctionnement du système à mélange ternaire de gaz

Le nouvel équipement ne se résume pas à un ensemble de bouteilles de gaz posé sur un chariot. Il intègre deux modules principaux, l’un consacré au mélange des gaz et l’autre à leur distribution, auxquels s’ajoutent 113 sous-modules spécialisés, notamment des centres de distribution et d’alimentation en gaz ainsi que des appareils respiratoires individuels. Cette architecture modulaire permet de contrôler précisément le mélange gazeux fourni à chaque ouvrier dans la chambre pressurisée.

Le système peut prendre en charge des opérations à des pressions comprises entre 0,5 et 1 mégapascal. Cette limite supérieure dépasse même le maximum de 0,85 mégapascal relevé dans le tunnel de Jintang, offrant une marge de sécurité pour des projets encore plus exigeants à l’avenir. Des algorithmes de mélange ajustent en temps réel les proportions d’hélium, d’azote et d’oxygène en fonction de la pression ambiante à la tête de coupe, afin de garantir aux ouvriers un mélange respiratoire optimal, quelle que soit la profondeur du tunnel.

Chaque composant doit résister aux environnements corrosifs d’eau salée, aux vibrations constantes du tunnelier et aux contraintes mécaniques des conditions hyperbares. Les ingénieurs ont conçu des systèmes de sécurité redondants afin qu’une défaillance d’un sous-module ne compromette pas le maintien en vie de l’ensemble de l’équipe. La surveillance à distance permet aux équipes en surface de suivre les débits de gaz, les niveaux de pression et les signes vitaux de chaque ouvrier sans entrer elles-mêmes dans la chambre.

Protéger les ouvriers dans des conditions extrêmes

La sécurité reste la préoccupation centrale dès lors que des personnes entrent dans une chambre d’excavation pressurisée. La narcose à l’azote est l’une des menaces les plus insidieuses des environnements à haute pression. Sous l’effet de la pression, ce gaz inerte se dissout dans les tissus nerveux et provoque des symptômes comparables à l’ivresse alcoolique. Un ouvrier victime de narcose peut ressentir de l’euphorie ou être désorienté, transformant une opération de maintenance courante en pari mortel. L’hélium ne produit pas cet effet narcotique, raison pour laquelle les plongeurs en grande profondeur, et désormais les ouvriers des tunnels, y ont recours.

La toxicité de l’oxygène constitue un autre danger. Bien qu’il soit indispensable à la vie, respirer de l’oxygène à des pressions partielles élevées pendant une période prolongée peut endommager les poumons et le système nerveux central. En diluant l’oxygène avec de l’hélium et en contrôlant soigneusement sa proportion dans le mélange, le système ternaire empêche toute accumulation toxique tout en fournissant suffisamment de gaz pour soutenir un travail physique intense.

Les protocoles de décompression exigent eux aussi une gestion minutieuse. À la fin de leur poste, les ouvriers doivent remonter par plusieurs paliers de pression afin de permettre aux gaz dissous de quitter progressivement leur organisme. Une décompression rapide provoque la formation de bulles dans le sang, entraînant un accident de décompression, une affection douloureuse et potentiellement mortelle. Le système à mélange gazeux permet d’appliquer des procédures de décompression contrôlée adaptées à la quantité de gaz accumulée pendant chaque poste.

Ce que cela signifie pour les infrastructures mondiales

Le déploiement réussi de ce système chinois de creusement au tunnelier à mélange ternaire de gaz offre des enseignements aux projets d’infrastructure du monde entier. Des villes côtières de Tokyo à New York subissent une pression croissante pour étendre leurs réseaux de transport sous les voies navigables, mais de nombreux tracés envisagés rencontrent des conditions géologiques semblables à celles du corridor Ningbo-Zhoushan. La possibilité de travailler en toute sécurité à des pressions allant jusqu’à 1 mégapascal ouvre la voie à des itinéraires jusqu’ici impossibles, permettant aux ingénieurs d’envisager des tracés plus profonds et plus directs qui réduisent les temps de trajet et les perturbations environnementales.

En Chine, cette innovation conforte le rôle de premier plan des ingénieurs chinois dans le creusement de tunnels de grande envergure. Le pays exploite déjà certains des réseaux de transport souterrains les plus ambitieux au monde, et cette technologie élimine un obstacle majeur qui freinait le développement ferroviaire sous-marin. D’autres secteurs pourraient également en bénéficier. L’exploitation minière souterraine, la pose de câbles sous-marins et les projets de forage scientifique comportent tous des environnements hyperbares où un système de maintien en vie à mélange gazeux pourrait se révéler utile.

Pour le tunnel de Jintang, le système permettra plus précisément de poursuivre dans les délais les travaux sur le tronçon de 6 270 mètres côté Zhoushan, sans sacrifier la sécurité des ouvriers au profit de l’avancement du chantier. Une fois achevé, le tunnel réduira considérablement les temps de trajet entre le continent et l’archipel, favorisant l’intégration économique et le tourisme dans toute la province du Zhejiang.

En bref

• La Chine a mis en service son premier système de creusement au tunnelier à mélange ternaire de gaz développé dans le pays, sur le chantier du tunnel sous-marin de Jintang, dans la province du Zhejiang.
• Le tunnel de 16,18 kilomètres deviendra le plus long tunnel ferroviaire sous-marin à grande vitesse au monde et reliera Ningbo à Zhoushan.
• Les méthodes traditionnelles à air comprimé sont limitées à 0,5 mégapascal, alors que le tronçon le plus profond du tunnel de Jintang atteint 0,85 mégapascal, à 78 mètres sous le niveau de la mer.
• Le nouveau système mélange de l’hélium, de l’azote et de l’oxygène pour créer des conditions respiratoires plus sûres et prévenir la narcose à l’azote et la toxicité de l’oxygène lors des opérations à très haute pression.
• Les ingénieurs ont adapté des technologies de plongée en grande profondeur pour concevoir le système, qui permet des opérations entre 0,5 et 1 mégapascal grâce à 113 sous-modules intégrés.