Métros : les lignes automatiques C de Toulouse et du Grand Paris Express marquent un retour du pneu vers le rail
Avec le lancement en ce mois de janvier des travaux préparatoires à la construction à Toulouse de la troisième ligne de métro, s’opère un tournant dans les choix technologiques des réseaux de métros. Comme les quelque 200 km du métro Grand Paris Express, dont la première ligne nouvelle est en cours de finalisation, cette future ligne toulousaine sera parcourue par des rames à pilotage automatique et roulement purement fer. Ces deux grands projets – francilien et toulousain - marquent un tournant en la matière puisque depuis les années 1970 jusqu'à ces dernières années, les nouvelles lignes de métros en France avaient toutes été conçues pour un roulement sur pneus, doublé ou non (VAL, Cityval) d’un roulement fer. De plus, trois lignes parisiennes (11, 1 et 6) initialement à roulement rail pur, ont été converties à partir de la fin des années 1950 en roulement pneus-fer.
A Toulouse la nouvelle ligne sera exploitée en roulement fer et pilotage automatique
La future ligne toulousaine sera longue de 27 km, reliant Colomiers à Labège. Elle sera équipée de 21 stations dont cinq en correspondance avec les lignes A et B du métro et cinq en correspondance avec des gares ou stations du réseau ferré national. La longueur moyenne des interstations sera de 1.350 m. Son trafic potentiel est évalué à 220.000 voyageurs par jour, imposant une forte capacité. Le coût prévisionnel de sa construction et de son matériel roulant est évalué à 2,67 milliards d’euros, soit quelque 99 millions d’euros au kilomètre (valeur 2016). Sa mise en service est annoncée pour fin 2018.
Carte schématique de la future ligne C du métro de Toulouse. Une technologie pur fer, en rupture avec les deux autres lignes de technologie "mini-métro" VAL, pur pneus. (Doc. Tisséo)
Comme les cinq lignes nouvelles du Grand Paris Express (15 nord, 15 sud, 16, 17 et 18) les concepteurs de la troisième ligne du métro toulousain ont choisi le roulement fer accompagné d’un gabarit généreux. Le parc de matériel roulant sera constitué de rames Alstom Metropolis. Ces rames à pilotage automatique et roulement fer offriront une capacité unitaire nettement supérieure aux rames des deux premières lignes, A et B : 2,70 m de largeur et 24 m de longueur pouvant être portée à 48 m par circulation en unités multiples. Les rames des deux premières lignes, VAL 206 ou 208, affichent 2,08 m de largeur et 26 m de longueur. La surface brut d’emport de chaque rame est ainsi portée de 54,08 m2 pour le VAL à 64,8 m2 pour le Metropolis, soit un gain de 20 %. En cas d’exploitation en rames doubles (sur la ligne A depuis 2020, possiblement sur la future ligne C), la surface brut d’emport passe de 108,16 m2 pour le VAL à 129,6 m2 pour le Metropolis. La vitesse maximale du VAL 208 est de 80 km/h. Celle du Metropolis peut atteindre 100 km/h. Le roulement pur fer permet d’économiser d’importantes installations au sol (rails de guidage et de sustentation pneus).
Vue d'artiste du type de rames Metroplis qui seront construites par Alstom pour la ligne C du métro de Toulouse. Le guidage et la propulsion sont assurés par le moyen classique et éprouvé d'une voie ferrée simple, assurant stabilité et vitesse potentielle même si accélération et freinage sont moins performants que par le pneu. Le roulement roue d'acier sur rail d'acier, permet une résistance minimale à l'avancement grâce à une surface de contact des plus limitées. (Doc. Alstom)
Les rames Metropolis de Toulouse seront à pilotage automatique (système Urbalis d’Alstom), comme celles des lignes du Grand Paris Express. Jusqu’à présent, en France, le pilotage automatique sur métros n’avait été appliqué que sur des lignes à roulement exclusivement sur pneus (Lille, Toulouse, Rennes) ou mixte pneus-fer (Paris lignes 14, 1 et désormais 4, Lyon ligne D et désormais B, Marseille les deux lignes). La France opère donc un virage technologique en appliquant bientôt le système de pilotage automatique à des lignes à roulement pur fer.
Le métro automatique à roulement pur fer adopté dès 1987 à Londres (Docklands)
Pourtant, ce couple roulement fer/pilotage automatique avait été adopté dès 1987 pour le complexe réseau de métro des Docklands à Londres, aujourd’hui doté de six jonctions dont une en triangle. Il cumule 45 km de lignes. Il en va de même, nous allons le voir, à Montréal et Santiago du Chili, métropole ayant initialement opté pour le roulement pneus-fer. A Toulouse comme autour de Paris, ce couple fer/pilotage automatique constituera donc une tardive nouveauté pour la France.
La raison en est probablement que la France fut l’initiatrice du roulement pneus-fer. A l’origine, il fut conçu pour la ligne 11 du métro de Paris, la RATP estimant que sa meilleure adhérence était parfaite pour cette ligne dont le profil est le plus tourmenté du réseau parisien : de longues déclivités de 40 ‰ et une série de courbes serrées. Puis l’argumentaire s’est enrichi d’autres avantages, par rapport aux rames fer, que la capacité à gravir des pentes : une meilleure capacité d’accélération/freinage, un meilleur confort pour les voyageurs, de moindres émissions de bruit. Les nouveaux réseaux de métros de Lyon (hors ligne C partiellement à crémaillère) et Marseille ont adopté cette technique, considérée alors comme optimale.
Rame Alstom MPL16 de la ligne B du métro de Lyon à Saxe-Gambetta. Récemment mises en service, ces rames de deux caisses couplables à pilotage automatique remplacent les rames à trois caisses MPL75 à pilotage humain semi-automatisé, qui ont été versées sur la ligne A. ©RDS
Cette technique française connut un certain succès à l’exportation grâce à la Sofretu, filiale d’ingéniérie de la RATP. Sont équipés de lu roulement pneus-fer les réseaux de métros de Montréal (à partir de 1966, et pour l’ensemble de ses trois lignes, mais le nouveau Réseau express REM est sur fer), de Mexico (à partir de 1969 pour 10 lignes, deux autres étant sur fer) et Santiago du Chili (à partir de 1975 pour trois lignes, quatre autres étant sur fer). Il est intéressant de noter que le REM de Montréal tout entier situé dans l’aire urbaine de la métropole québécoise, est à pilotage automatique sur fer, et que deux des trois lignes sur fer du métro de Santiago du Chili sont aussi à pilotage automatique. De nombreuses autres lignes automatisées de par le monde sont désormais aussi à roulement fer.
Le VAL, automatique et sur pneus, une invention française
Allant plus loin encore dans la disruption technologique, la France mit en service en 1983 le premier métro à roulement entièrement sur pneus, à Lille. Conçu par Matra, Michelin et l’universitaire lillois Robert Gabillard de l’Université des sciences et technologies de Lille, il s’affranchit de tout guidage fer. Cette technologie a été adoptée à Lille (deux lignes), à Orly (Orlyval), à Roissy (desserte interne à l'éaéroport) et à Rennes (première ligne). Elle a été exportée en particulier à Turin mais a été retoquée à Bordeaux, Strasbourg, Nice, Rouen.
Les caisses des véhicules VAL reposent sur des essieux à roulement pneus. Les roues verticales roulant sur des pistes horizontales de la largeur des pneus assurent la sustentation et la propulsion et des roues horizontales roulant sur des pistes latérales verticales assurent le maintien dans l’axe. Mais chaque caisse n’est portée que par deux essieux et non des bogies, contrairement à la technique pneus-fer.
Rame VAL du métro de Lille. Les caisses sont munies de deux essieux et non deux bogies, limitant la masse admissible. (Doc. VAL)
La différence est notable avec les métros à roulement pneus-fer. Les bogies de ces derniers sont équipés, parallèlement aux roues à pneus, de roues fer portant sur des rails classiques (qui assurent par ailleurs le retour de courant grâce des frotteurs). Or ces roues fer assurent deux fonctions importantes : le guidage aux aiguillages ou croisements à niveau, ainsi que le guidage en atelier ; la stabilité verticale en cas de crevaison d’un pneu. Elles assurent une stabilité verticale complémentaire pendant le roulement lors des déformations de l’ensemble de la voie.
Le roulement pneus pur permet un net allègement des véhicules et une simplification de la voie, débarrassée des rails ferroviaires, réduite aux doubles pistes horizontales et verticales pour le roulement. En contrepartie, le guidage aux aiguillages doit être opéré grâce à un plot central sous chaque essieu, qui plonge dans un rail mobile à gorge, les bandes de roulement latérales étant interrompues. L’opération doit être assurée à petite vitesse. Aucune ligne de ce type en service commercial en France n’est dotée d’antennes, hormis l'aiguille de rebroussement d'Orlyval à proximité des terminaux 1, 2 et 3.
A Rennes, le Cityval tente de remplacer les bandes de guidage latérales par un rail central
Pour la ligne B du métro sur pneus de Rennes, la technologie choisie par Siemens, successeur de Matra pour ce type d’engins, s’est affranchie des bandes de guidage latérales pour ne plus faire assurer le guidage en ligne que par un dispositif de roulements sur rail central, sur le principe des « tramways » sur pneus dont la carrière à Caen et Nancy aura été fort brève et émaillée d’incidents . Ce nouveau matériel de métro sur pneus baptisé Cityval n’est plus doté de roues latérales de guidage et des bandes de roulement y afférant. Les roues porteuses à pneus roulent sur du béton. Le concepteur a profité de l’espace gagné sur le gabarit pour augmenter la largeur des caisses, de 2,08 m sur le VAL à 2,65 m sur le Cityval. La surface brut d’emport est donc augmentée d’environ 27 %. Reste que cette technologie a connu à Rennes des difficultés de mise au point, imposant le report de la mise en service de la ligne concernée de 2020 à 2022.
Cityval en essais à Rennes. Le principe a consisté à transférer la fonction de guidage du VAL des bandes latérales sur un rail central, ce qui permet d'élargir les caisses. La sustentation est assurée par deux essieux simples comme sur le VAL mais la propulsion est assurée par les seules roues verticales alors qu'elle l'est par toutes les roues sur le VAL. (Doc. Siemens Mobility)
Le coût de la ligne B du métro sur pneus de Rennes s’est élevé à 1,342 milliard d’euros pour 13,4 km en exploitation commerciale, soit 100,15 millions d’euros par kilomètre. Celui de la future ligne C du métro à roulement fer de Toulouse est prévu à 2,67 milliards d’euros pour 27 km, soit 98,9 millions d’euros par kilomètre. On peut donc s’interroger sur l’opportunité que constitue la prise de risque technologique d’un métro sur pneus à grand gabarit par rapport à la sécurité d’un guidage classique par fer, alors que le prix est approximativement identique. Notons enfin que dans ces deux cas il y a incompatibilité entre les lignes nouvelles (B à Rennes, C à Toulouse) et la ou les lignes existantes, ce qui interdit tout échange de matériel roulant au sein du réseau.
Dans ces deux cas on est loin de l’interopérabilité totale, technique et commerciale, choisie par exemple par le réseau de tramways de Grenoble : chaque rame est susceptible de rouler sur l’ensemble du réseau et chacune est dotée d’un graphique figurant les cinq lignes en service (au demeurant difficilement lisible).
Le retour du roulement fer pur : trois fois moins de roues que le métro pneus-fer et la simplicité du guidage par deux rails et roues à l’inclinaison inversée
In fine, le roulement fer qui semblait avoir été surpassé par le roulement mixte pneus-fer puis exclusivement pneus revient sur le devant de la scène. Lors du changement de ses rames, le réseau de Montréal se vit même proposer voici une petite décennie par un constructeur de Chine populaire d’abandonner le roulement pneus-fer pour adopter le roulement fer, arguant d’importantes économies. Montréal refusa mais, quelques années plus tard, choisit pour son nouveau réseau automatique REM, le roulement fer.
Le roulement pneus-fer n’aura connu que peu de développements ces dernières années en France, pourtant son pays d’origine, se cantonnant à des extensions : lignes 14 et 11 à Paris, ligne B à Lyon, ligne 2 à Marseille. Il devrait en être de même pour les années qui suivent (projet d’extension à Marseille en particulier).
Bogie d'un métro pneus-fer. La complexité est évidente. (DR)
Le roulement purement pneus a démontré deux vérités : sa technique la plus éprouvée, celle du VAL 208 (à guidage par bandes de roulement latérales) pêche par sa faible capacité unitaire, les voyageurs assis en vis-à-vis laissant peu de place aux voyageurs debout donnant une ’impression d’étouffement avec sa largeur d’à peine plus de 2 mètres (une version plus large a toutefois été vendue à l'étranger). L’économie réalisée sur le percement de tunnels de diamètre inférieur à ceux d’un métro sur fer à gabarit moyen vaut-elle un bridage des capacités sur le long terme, d'autant que le coût des stations souterraines, considérable, vient limiter cet avantage ? Quant à la technologie Cityval, elle devrait se heurter aux mêmes limites que celle des « tramways » sur pneus : fragilité du rail de guidage central, fatigue des bandes de roulement béton si elles ne sont pas construites à un coût égal ou supérieur à la voie rail, surtout en milieu ouvert.
Le roulement fer conserve ses atouts originels : stabilité du roulement grâce au principe roue d’acier sur rail d’acier contrairement au roulage pneus sur béton ; capacité de vitesses plus élevées que le roulement pneus; simplicité du guidage par contrainte mécanique contraire de chacune des roues face à face, dotées de tables de roulement inclinées vers l’intérieur de même que les rails ; économie des installations au sol puisque deux rails suffisent, contrairement aux métros pneus-fer ou VAL qui nécessitent des bandes de roulement latérales et, pour les premiers, horizontales de part et d’autre des rails classiques ; contrairement au roulement pneus-fer, économie du nombre de roues, trois fois plus nombreuses sur ces derniers (12 roues au lieu de quatre) ; enfin, résistance à l'avancement minimale grâce au contact fer-fer. On relèvera pour finir que les avancées du ferroviaire permettent d'obtenir une adhérence et des accélérations comparables au mode pneu.
Le Cityval, qui tente d'optimiser le système VAL, devra démontrer que le seul rail central peut assurer un guidage optimal et que le roulage pneus sur béton assure une longévité et une qualité de roulement des composants égales à celle de l’acier, ainsi qu'une consommation énergétique limitée.
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