Le colossal tunnelier qui a construit l’autoroute sous-marine de Hong Kong

Construire une route sous la mer

Le 27 décembre 2020, Hong Kong a inauguré une nouvelle artère d’un genre inédit. La section nord de la liaison Tuen Mun–Chek Lap Kok a été creusée sous le fond marin pour relier les Nouveaux Territoires du Nord-Ouest à l’aéroport international de Hong Kong et au pont Hong Kong-Zhuhai-Macao. Au cœur du projet se trouvait le Mixshield S-880 de Herrenknecht, un tunnelier baptisé Qin Liangyu. Avec un diamètre de bouclier de 17,63 mètres, la machine détient toujours le record du monde Guinness du plus grand tunnelier par diamètre de bouclier. Plus long qu’un terrain de football, plus lourd que la plupart des navires, il était conçu pour fonctionner sous des pressions qui écraseraient un équipement ordinaire. Le tunnel qu’il a creusé est aujourd’hui le tunnel routier sous-marin le plus profond, le plus long et le plus large de Hong Kong. Il fait partie d’un itinéraire de 9 kilomètres dont le coût s’élève à environ 18,2 milliards de dollars de Hong Kong, soit quelque 2,3 milliards de dollars américains.

Le projet ne visait pas seulement à battre des records. Il répondait au besoin d’une ville de mieux relier la terre, la mer et les airs. Un tunnel à deux tubes, totalisant environ 5 kilomètres de tunnel sous-marin, devait passer sous des voies maritimes, des vases molles et des zones côtières à l’écologie fragile. Construire un tel tunnel avec les méthodes traditionnelles aurait nécessité d’importants travaux de dragage, perturbé le trafic maritime et provoqué des années de conflits environnementaux. La solution consistait à employer une seule machine, fabriquée en Allemagne, capable de creuser, de stabiliser le terrain et de poser le revêtement au fur et à mesure de sa progression.

Pourquoi le tunnelier devait être si grand

Le choix d’un bouclier de 17,63 mètres tenait à la nature du terrain, et pas seulement à l’ambition des ingénieurs. Entre Tuen Mun et Chek Lap Kok, le fond marin recèle jusqu’à 30 mètres de dépôts marins et d’argiles alluviales. Ces sols extrêmement mous et saturés d’eau rendent le creusement instable. Par endroits, le substratum rocheux se trouve à environ 90 mètres sous le niveau de la mer. Un tunnelier classique aurait eu du mal à lutter contre les infiltrations d’eau et l’effondrement du terrain. Le projet nécessitait un tunnelier de type Mixshield, capable d’équilibrer la pression au front de taille grâce à un mélange contrôlé de boue et d’air comprimé.

Le volume de trafic prévu imposait lui aussi une grande taille. Le tunnel devait présenter un diamètre intérieur de 15,6 mètres pour accueillir deux voies autoroutières dans chaque sens, ainsi que des espaces de sécurité, des conduits de ventilation, des installations électriques et des accès de maintenance. Comme le tunnelier pose des voussoirs préfabriqués en béton à mesure de sa progression, le diamètre extérieur du tunnel doit dépasser son diamètre intérieur. En ajoutant l’épaisseur des anneaux de revêtement, la jupe arrière et la tête de coupe, le diamètre de bouclier requis atteint 17,63 mètres. C’est à peu près la hauteur d’un immeuble de six étages tournant sur lui-même sous terre. Le Qin Liangyu a été dimensionné précisément pour cette géométrie.

Comment le Mixshield tient la mer à distance

On décrit souvent un tunnelier comme une foreuse géante, mais le S-880 fonctionnait plutôt comme une usine sous-marine mobile. À l’avant, une tête de coupe rotative arrachait le sol et la roche au front de taille. Derrière elle, le tunnelier abritait une chambre d’excavation remplie de boue bentonitique, un fluide épais semblable à de l’argile, ainsi qu’un coussin d’air comprimé. La boue exerçait une pression sur le front de taille et empêchait l’eau de mer et la vase de pénétrer dans la machine. L’air comprimé au-dessus de la boue permettait aux opérateurs de régler cette pression avec précision. À mesure que la tête de coupe avançait, les déblais se mélangeaient à la boue et étaient pompés par des conduites jusqu’à une installation de séparation en surface. Des machines y retiraient les particules de terre avant de renvoyer la bentonite propre sous terre.

Tandis que l’avant du tunnelier contenait la poussée du terrain, l’arrière posait le revêtement du tunnel. Un érecteur robotisé soulevait des voussoirs en béton courbes et les assemblait en anneaux formant les parois. Chaque anneau soutenait le terrain environnant et créait un cylindre régulier destiné à accueillir plus tard les routes, l’éclairage et la ventilation. Pour que l’opération se poursuive, tous les systèmes devaient avancer au même rythme : pression, pompage, composition de la boue, poussée hydraulique, acheminement des voussoirs et relevés topographiques. Si l’un d’eux ralentissait, toute l’opération s’arrêtait. Cette approche intégrée transformait une seule machine en une chaîne de production complète.

La pression écrasante du travail sous la mer

La pression hydrostatique au front de taille atteignait jusqu’à 5 bars, soit cinq fois la pression atmosphérique au niveau de la mer. C’est l’équivalent de la pression ressentie par un plongeur à environ 50 mètres de profondeur. Un rapport officiel du service d’information du gouvernement de Hong Kong décrivait ainsi les conditions :

La section la plus profonde du tunnel Tuen Mun-Chek Lap Kok se trouve à environ 60 mètres sous le niveau de la mer, et les travailleurs spécialisés en hyperbarie étaient soumis à une pression près de six fois supérieure à celle régnant en surface.

Pour protéger les travailleurs tout en maintenant la pression au niveau de la tête de coupe, le S-880 était équipé de sas. Ces compartiments étanches permettaient au personnel de passer progressivement de la pression atmosphérique normale à la chambre d’excavation pressurisée. La maintenance des outils de coupe, les inspections et les réparations exigeaient que des travailleurs qualifiés entrent dans la zone pressurisée, suivent des protocoles stricts de médecine hyperbare et décompressent lentement pour éviter un accident de décompression. La durée d’exposition était limitée et le travail nécessitait une supervision médicale. Dans ces conditions, la maintenance ordinaire d’un tunnel prenait des allures d’opération de plongée.

Changer de diamètre sans remonter à la surface

La phase la plus inhabituelle du projet a commencé après les 650 premiers mètres de creusement. La structure d’accès nord nécessitait un tunnel de 17,6 mètres de diamètre : le Qin Liangyu a donc démarré à pleine capacité. Après cette section de transition, le reste du parcours sous-marin pouvait être construit avec un diamètre de 14 mètres. Au lieu de remonter la machine à la surface pour en lancer une deuxième, les ingénieurs ont transformé le S-880 directement dans le tunnel. Ils ont retiré des éléments extérieurs du bouclier de 17,6 mètres, reconfiguré les systèmes internes et installé un nouveau bouclier de 14 mètres, alors que la machine se trouvait toujours sous le fond marin.

La réduction du diamètre d’un bouclier dans un tunnel est extrêmement rare. L’opération devait être réalisée sous la pression de la mer, dans un espace limité et sans accès direct à la lumière du jour. Une fois la conversion achevée, la même machine a poursuivi le creusement du reste du tunnel, aux côtés d’un second tunnelier Herrenknecht de 14 mètres. Les deux machines ont percé leurs derniers mètres le 27 février 2019. La section de 17,63 mètres a été creusée entre le 25 mars et le 3 novembre 2015, avant la conversion. Cette opération a été présentée comme une avancée susceptible de servir à de futurs projets nécessitant plusieurs diamètres de tunnel dans un même chantier de creusement.

Une innovation pour les galeries de liaison

Les tunnels routiers à deux tubes nécessitent généralement des galeries de liaison, de petits couloirs qui permettent l’évacuation et la maintenance entre les deux tubes principaux. La liaison Tuen Mun–Chek Lap Kok en comptait 57, à un endroit où la pression atteignait 5,8 bars, au-delà du seuil de 3,6 bars à partir duquel Herrenknecht recommande de faire appel à des plongeurs professionnels pour intervenir dans une chambre pressurisée. Dans certains tunnels sous-marins, la méthode habituelle aurait consisté à congeler le sol, afin de le stabiliser en gelant l’eau qu’il contient. Cette technique aurait été lente et risquée dans l’argile molle et saturée du fond marin.

L’équipe a plutôt utilisé un mini-tunnelier à boue de 3,6 mètres, une première mondiale pour la construction de galeries de liaison sous une pression aussi élevée. La petite machine a creusé les parois entre les deux tubes principaux tandis que le système de boue environnant maintenait la pression sous contrôle. Cette solution a évité le recours à la congélation, réduit la durée des travaux et limité les risques dans un environnement où l’eau de mer, l’argile molle et les pressions extrêmes se conjuguaient pour rendre le chantier dangereux.

Rapidité, récompenses et bénéfices environnementaux

Malgré sa complexité, le S-880 avançait rapidement. Sa progression maximale a atteint 30 mètres par jour, et son record hebdomadaire, 167,2 mètres. Ces chiffres témoignent non seulement de sa puissance mécanique, mais aussi de la coordination logistique nécessaire pour assurer un approvisionnement continu en voussoirs de béton, en bentonite et en pièces de rechange. L’American Society of Mechanical Engineers a indiqué que la machine développait une puissance de 5 600 kilowatts et pouvait avancer d’environ 30 mètres par jour dans des sols et des roches saturés d’eau.

Le projet a reçu en 2019 le prix ITA Tunnelling Award, décerné par l’Association internationale des tunnels et de l’espace souterrain, en reconnaissance des innovations techniques mises en œuvre pendant les travaux. Un autre procédé primé était le système de batardeaux en forme de chenilles utilisé pour les structures d’accès nord, qui constituait une solution de remplacement aux parois moulées classiques dans des sols très meubles. L’enjeu environnemental était tout aussi important. Le département des routes de Hong Kong écrivait dans un article consacré au projet :

Le recours à des tunneliers plutôt qu’à la méthode traditionnelle du tube immergé a permis de réduire le dragage et l’évacuation d’environ 11 millions de mètres cubes de sédiments marins, soit à peu près le volume de 4 900 piscines olympiques, et de limiter l’impact sur les dauphins blancs de Chine et les autres espèces marines.

La même note officielle indiquait que cette méthode avait réduit les perturbations du trafic maritime intense sur Urmston Road et évité de devoir détourner les câbles électriques sous-marins existants qui alimentent l’aéroport. La section nord a été ouverte à la circulation le 27 décembre 2020, tandis que la section sud avait commencé à être mise en service dès 2018, reliant l’itinéraire au réseau plus vaste du pont Hong Kong-Zhuhai-Macao.

Un record qui marque encore une époque

Le S-880 Qin Liangyu n’est plus la machine la plus puissante dans toutes les catégories techniques. Ces dernières années, de nouveaux tunneliers chinois et internationaux ont vu le jour, dotés d’une poussée supérieure, d’une automatisation plus poussée ou de têtes de coupe différentes. Mais Guinness attribue toujours au Qin Liangyu le record du diamètre de bouclier, et le projet qu’il a achevé reste exceptionnel. Peu d’autres machines ont combiné un diamètre aussi important, une pression aussi élevée en profondeur sous-marine et une conversion de bouclier dans le tunnel au cours d’un même chantier de creusement continu.

La machine incarne aussi une évolution plus générale dans la manière dont les villes côtières construisent leurs infrastructures. À mesure que les ports, les aéroports et les métropoles se densifient, les urbanistes se tournent vers le sous-sol et les fonds marins pour créer de nouveaux itinéraires. Des machines géantes comme le S-880 permettent de construire ces itinéraires en perturbant moins la surface, en réduisant le dragage et en limitant l’impact écologique par rapport aux méthodes anciennes. Elles coûtent cher, consomment beaucoup d’énergie et sont techniquement exigeantes, mais elles permettent d’augmenter les capacités sans multiplier les chantiers sur le littoral.

Le Qin Liangyu porte le nom d’une générale chinoise de la dynastie Ming, née en 1574 et connue pour son courage et sa loyauté. Ce nom s’inscrit dans une longue tradition de l’ingénierie souterraine qui consiste à donner des prénoms féminins aux grands tunneliers, une coutume remontant au XIXe siècle. En ce sens, la machine a emporté à la fois l’histoire et l’avenir dans la roche sous Hong Kong.

À retenir

• Le Mixshield S-880 Qin Liangyu de Herrenknecht détient le record du monde Guinness du plus grand tunnelier par diamètre de bouclier, avec 17,63 mètres.
• La machine a creusé le tunnel sous-marin à deux tubes de 5 kilomètres de la liaison Tuen Mun–Chek Lap Kok, inaugurée en décembre 2020.
• Le projet a coûté environ 18,2 milliards de dollars de Hong Kong. Le tunnel est aujourd’hui le plus profond, le plus long et le plus large tunnel routier sous-marin de Hong Kong.
• La technologie Mixshield a utilisé de la boue bentonitique et de l’air comprimé pour contrôler la pression dans les sols meubles et saturés d’eau du fond marin.
• Les travaux ont été réalisés sous des pressions atteignant 5,8 bars, ce qui a nécessité des protocoles hyperbares et des sas pour les équipes de maintenance.
• Les ingénieurs ont réduit le diamètre de la machine de 17,6 à 14 mètres directement dans le tunnel, une opération extrêmement rare.
• Un mini-tunnelier à boue de 3,6 mètres a creusé les 57 galeries de liaison sous forte pression, une première dans le secteur.
• Le projet a réduit le dragage d’environ 11 millions de mètres cubes et limité l’impact sur la faune marine et les voies maritimes.