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L’infrastructure ferroviaire est l’élément clé permettant aux trains de rouler, dans une direction ou une autre. Elle est à la base du terme ‘chemin de fer‘ puisque dès l’origine, l’infrastructure ferroviaire est constituée d’une ou plusieurs voies composées de deux rails en métal qui servent de guide au véhicule ferroviaire. Au fur et à mesure de l’extension du réseau de voie, le chemin de fer a été muni d’une signalisation pour sécuriser les trains et surveiller la circulation. Plus tard, dès les années 1920/1930, un fil électrique a été installé au dessus des voies pour alimenter en électricité les locomotives. De nos jours, la voie ferrée reste grosso modo la même que celle d’il y a 200 ans, et elle comporte quatre sous-éléments :
Génie civil :
• La plateforme de la voie
• Les ponts et viaducs
• Les tunnels
Voie ferrée :
• petite histoire de la voie
• le ballast
• les rails
• traverses et fixations
• écartement des rails
• classification UIC
• l’insuffisance de dévers
• Appareils de voie
• critères d’entretien
• La voie sur dalle de béton
Signalisation :
• principe de l’itinéraire
• signalisation classique
• signalisation embarquée
• détection des trains
• poste de signalisation
• ERTMS / ETCS
• du GSM-R au FRMCS
Électrification :
• quatre tensions usuelles
• sous-stations électriques
• retour du courant
• consommation d’énergie
La voie ferrée, un environnement complexe
L’infrastructure est à la base même du concept ferroviaire. Il y a un peu plus de deux siècles, le chemin de fer s’est différencié des chemins de terre et de pierre qui formaient à l’époque le seul réseau de transport terrestre, aux côtés bien entendu des voies naviguables. La grande différence par rapport à ces autres transports tient à deux nouveautés fondamentales :
• le support, qui est désormais en fer, mais qui coûte relativement cher;
• le concept de guidage, qui évite au véhicule le risque de partir de travers, sous réserve que les deux guides supports – en l’occurrence les rails – soient fermement maintenus à un écartement rigoureux tout au long de la voie.
Le mode de progression des véhicules ne diffère pas, en revanche, des autres transports : il s’agit toujours de la bonne vieille roue. La conception novatrice de « chemin guidé » roues d’acier sur rails d’acier a entraîné la mise en oeuvre d’une conception particulière du réseau de chemin de fer. Pourquoi ? Parce que le contact roue-rail fer-fer est beaucoup moins adhérent que le contact entre le bois des calèches et la pierre d’époque, ou actuellement entre le caoutchouc et le bitume. Sur le rail, la roue glisse mieux et ne résiste que très peu : c’est une force, mais c’est aussi une faiblesse.
La force, c’est qu’avec peu d’efforts, on peut mouvoir un ensemble de véhicules accrochés les uns aux autres : le train. Ce train peut être très lourd et long, ce qui est un avantage sur le transport terrestre, où ne circule que des véhicules courts. Le guidage par deux rails évite que des véhicules dévient de leur trajectoire. Quant à la faiblesse roue-rail d’acier, elle porte un nom : l’adhérence. Le manque d’adhérence est un problème pour le démarrage, mais il en est aussi un pour le freinage des convois, surtout quand ils sont lourds. Aussi a-t-il fallu concevoir des critères spécifiques en génie civil :
• la voie doit être la moins pentue et la plus rectiligne possible;
• les courbes ont un rayon important qui dépend de la vitesse envisagée lors de la construction;
• en cas de terrain difficile, il faut édifier des ponts et des tunnels afin d’éviter les pentes trop fortes;
Le transport guidé rend impossible l’évitement d’un obstacle. Aussi a-t-il fallu dès l’origine du chemin fer prévenir en arrière ce qui se passe devant : c’est le rôle de la signalisation. Le signal protège le train qui est devant, en indiquant à celui de derrière de ne pas franchir le signal tant que le train de devant est encore présent sur une portion X de la voie. Cette conception a rendu obligatoire la surveillance permanente du trafic, 24h/24h, ce qui est aussi un élément coûteux.
La locomotive est une invention anglaise de 1825. On utilisait l’énergie phare de l’époque : le charbon. Ce combustible brûlé à bord permettait de faire bouillir de l’eau qui, transformée en vapeur, pouvait mouvoir des roues grâce à l’action de pistons. L’apparition de l’électricité sur un train date de l’expo universelle de Berlin, en 1880. Il faudra cependant attendre les années 1920-1930 pour apercevoir les premières applications de la traction par moteurs électriques sur une vraie locomotive. Cette nouvelle énergie change radicalement les conditions de la traction ferroviaire :
• pour la première fois, la locomotive n’emporte plus son combustible et ne fabrique plus son énergie à bord comme le faisait la locomotive à vapeur, mais capte directement son énergie sans aucune transformation, via un fil aérien, appelé caténaire;
• les chemins de fer ont alors abandonné la fourniture du polluant charbon, impactant les mines, et se sont tournés vers des fournisseurs d’électricité, qui est aujourd’hui reconnue comme énergie verte, ce qui n’est pas anodin.
• pour être optimal, un service de train doit trouver une caténaire sur un maximum de lignes ferroviaires, ce qui a entraîné de lourds travaux d’électrification, au moyen d’un fil soutenu par des poteaux implantés tous les 60m environs.
L’infrastructure ferroviaire moderne, c’est une voie posée sur une plateforme dont le génie civil évite les fortes pentes et les courbes raides. Les rails sont maintenus à un écartement millimétrique constant par des traverses en béton qui sont elles-mêmes posées sur un lit de ballast (cailloux). L’énergie nécessaire à la locomotive est soit diesel, mais surtout électrique grâce à une caténaire suspendue dans l’axe de chaque voie. Cet ensemble est géré depuis des postes de commandement situés à distance, lesquels surveillent la progression du trafic grâce à des signaux implantés tous les X kilomètres. L’infrastructure ferroviaire allie le génie civil, l’acier et le secteur de l’électronique et de l’électricité industrielles. Ce sont des secteurs très onéreux et gourmands en capitaux mais qui, combinés et bien gérés, peuvent offrir aux chemins de fer des atouts en capacité de trafic et en transport durable. 🟧
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