C’est un maillage extraordinaire : en 2019, le réseau ferré français s’étend sur environ 30 000 km de lignes exploitées, dont 2 600 km de lignes à grande vitesse. Pour les profanes (et les fans des BD de Lucky Luke), ces formidables voies de transport apparaissent comme un long ruban d’acier posé sur des rondins de bois… mais c’est peu plus sophistiqué que cela ! Aujourd’hui, l’infrastructure d’une grande technicité combine de nombreux matériaux et notamment des matériaux minéraux pour des éléments aussi déterminant que le ballast, les traverses, les ouvrages…
La locomotive sonne le départ, installez-vous pour ce voyage au cœur du chemin de fer tricolore !
L’aventure du « transport guidé » remonte très loin puisque dès l’époque médiévale, les hommes ont constaté que les charrettes se déplaçaient plus facilement lorsqu’elles roulaient… sur des rails qui limitaient les frottements. Au Moyen-Age, les chevaux tiraient ainsi des véhicules sur des voies en bois. Ce n’est qu’au 19e siècle, et notamment dans les années 1840 avec le boom industriel et les exploitations minières, que le progrès s’est accéléré. Les rails en aciers beaucoup plus solides sont apparus en Angleterre et se sont généralisés grâce à l’invention de la locomotive à vapeur en 1811 par John Blenkinsop. En France, l'expression « chemin de fer » est apparue officiellement dans l'ordonnance royale du 26 février 1823. Elle autorisait la construction de la première ligne française à Saint-Étienne.
Locomotive à vapeur
Techniquement donc, l’acier a été utilisé pour les rails mais ce matériau présentait un problème. Il a tendance à s’allonger et à se rétrécir sous l’effet des variations de température. C’est ainsi que les ingénieurs ont développé un moyen de réguler ce phénomène en créant le fameux ballast. Le ballast, c’est ce mélange de pierres et de graviers maintenant les traverses et sur lequel repose la voie de chemin de fer. Son rôle est de supporter le poids et la vitesse des convois et surtout de résister aux forces de l’acier et de ses distorsions.
Le ballast joue un rôle mécanique : il transmet les efforts engendrés par le passage des trains au sol en évitant toute déformation par tassement. Son rôle consiste aussi à enchâsser les traverses pour garantir leur résistance aux déformations de type longitudinal. En moyenne, les traverses sont posées sur un ballast de 10 à 35 cm d’épaisseur en fonction des caractéristiques de la ligne. Un système qui, deux siècles plus tard, est toujours le meilleur moyen d’assurer la stabilité de la voie ferrée.
Roche de ballast utilisée pour la construction de chemins de fer.
La pierre a donc rapidement été identifiée comme le meilleur élément pour supporter toute la pression. Le matériau est concassé et sa granulométrie doit osciller entre 31,5 et 50 mm. En moyenne, ce sont 2 000 tonnes par kilomètre ! Quant au type de roche utilisée, il varie en fonction des régions car ce sont toujours des entreprises d’extraction locales qui sont fournisseurs. En Auvergne-Rhône-Alpes, selon leur site d’origine, il s’agit de roche dure tel que le Basalte. Ces carrières sont ainsi appelées des ballastières. C’est aussi le nom donné aux wagons qui servent à leur transport.
Pour accomplir leur mission avec efficacité, les différents éléments du ballast doivent s’imbriquer pour former une masse à la fois compacte et perméable. Si le ballast évite la déformation des rails, il joue un autre rôle tout aussi important : il assure le confort des passagers ainsi que celui des riverains des voies ferrées. Les pierres ont en effet cette capacité à amortir les vibrations au moment du passage du train. Formant un matelas absorbant, les pierres absorbent l’onde de choc la disséminant de cailloux en cailloux. Sans ballast, cette onde de choc ferait trembler les édifices à plusieurs centaines de mètres aux alentours. Enfin, l’utilisation de la pierre assure une bonne perméabilité pour laisser l’eau ruisseler en cas de fortes pluies et éviter la formation de flaques.
Malgré sa résistance évidente, comme tous les matériaux, le ballast subit différents types d’usure. Il peut d’abord être contaminé par la terre présente dans son environnement. C’est pourquoi, il est nécessaire de procéder de temps en temps à des désherbages mais aussi, tout simplement, de remplacer le ballast régulièrement. Avec le temps, le ballast a aussi tendance à se tasser sous les traverses ce qui finit par entraîner une déformation verticale de la voie. Il est alors possible de réinjecter du ballast de faible granulométrie. Tous les 7 ans, les agents du Réseau Ferré de France tamisent le ballast pour remplacer les pierres trop usées ou trop tassées. La durée d’utilisation de l’ensemble est d’environ 40 ans. Ensuite, le ballast doit être entièrement remplacé. Si vous ne le saviez pas encore, il existe plusieurs carrières de ballast en Auvergne Rhône-Alpes, dont une seule homologuée pour le Ballast TGV, située près de Vichy.
Chemin de fer avec traverses en bois et ballast.
La traverse est elle aussi un élément essentiel de la voie ferrée. Posée sous les rails en travers de la voie, elle maintient leur écartement et leur inclinaison. C’est elle qui transmet au ballast les charges des convois circulant sur la ligne. C’est donc grâce à elle que l’on a pu réduire de façon considérable le nombre de déraillements. En Auvergne-Rhône-Alpes, ces traverses sont principalement fabriquées en bois et en béton. Il en faut un nombre particulièrement important puisqu’en France, on en compte en moyenne 1 666 par kilomètre. Pour information, l’une des entreprises fabriquant les traverses en béton est basée près de Clermont-Ferrand.
Par rapport au bois, la traverse en béton a d’abord une durée de vie plus importante, environ 50 ans, grâce à son exceptionnelle résistance à l’érosion et à la corrosion. Elle avait d’ailleurs été introduite par les ingénieurs du secteur ferroviaire pour apporter une réponse au vieillissement naturel du bois. Les traverses en béton ont d’abord été installées sur les lignes à faible charge avant d’être de plus en plus utilisées, à partir des années 70, sur l’ensemble du réseau. La bonne maîtrise technologique du matériau s’est accompagnée d’un autre argument, celui de son coût. Les traverses en béton, grâce à leur poids important, assurent un meilleur ancrage de la voie dans le ballast.
Aujourd’hui, elles sont utilisées pour toutes les lignes nouvelles à grande vitesse. Les rails sont ensuite fixés par des attaches élastiques équipées d’isolants en caoutchouc. Les traverses en béton sont de deux types. Les traverses biblocs sont formées de deux blocs de béton, les blochets, reliés par une armature métallique qui absorbe davantage les efforts en milieu de traverse. Quant aux traverses monoblocs, elles sont conçues en béton précontraint, amincies dans leur partie centrale, et armées de fils à haute résistance.
Chemin de fer avec traverses en béton.
Le réseau ferré, c’est aussi de nombreux ouvrages d’art permettant quotidiennement le passage des trains. En région AURA, on pense immédiatement à certains grands viaducs ferroviaires. En fonction de leur époque de construction, ils ont été bâtis en pierre ou en béton pour des portées toujours plus impressionnantes. Elaboré en béton précontraint, le viaduc de la Côtière, par exemple, avec ses 1 725 m, est l’un des ponts les plus longs de France. Le viaduc de Longeray et ses trois arches en béton a lui pour particularité d’avoir été construit en pleine 2nde Guerre mondiale. Le viaduc de la Méditerranée, au moment de sa construction, en 1950, détenait le record mondial de portée des ponts-rails en béton armé à double voie ferrée suspendue. Le pont de la Voulte-sur-Rhône était quant à lui lors de son inauguration le premier grand pont-rail en béton précontraint. Le viaduc de Saint-Rambert joue pour sa part l’alliance des matières avec cinq arches métalliques, quatre piles et deux culées en pierre de taille calcaire et des dalles de béton sous les arches. Enfin, le viaduc des Fades, avec ses piles monumentales en granit et ses 132 mètres de hauteur libre, est encore aujourd’hui le plus haut pont ferroviaire de l’Hexagone.
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Viaduc des Fades en Auvergne, France. Crédit photo : © Auvergne Destination Volcans
Terminons par un clin d’œil de la langue française. Saviez-vous que le chemin de fer était aussi le nom d’un outil du tailleur de pierre ? C’est en effet celui qui lui permet d’aplanir une face de pierre. Les chemins de fer sont des rabots utilisés pour surfacer les pierres tendres à fermes par une action de grattage. L’outil est ainsi composé d’une poignée et d’un corps en bois sur lequel des lames en acier sont enchâssées… Toujours bon à savoir pour briller en société !
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