Ligne à grande vitesse

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Une ligne à grande vitesse, ou LGV, est une ligne ferroviaire construite spécialement pour permettre la circulation de trains à grande vitesse, initialement au-dessus de 200 km/h, aujourd'hui à partir de 220 km/h.

On considère qu'au-delà de cette vitesse, l'observation de la signalisation latérale n'est plus possible (norme UIC). L'une des caractéristiques principales des LGV est donc d'inclure un système de signalisation particulière permettant de recevoir les indications de vitesse et certaines informations ponctuelles directement en cabine de conduite.

La première ligne de ce type fut mise en service au Japon en 1964 (voir Shinkansen). En Europe, la première ligne à grande vitesse fut la Direttissima Florence-Rome, mise en service à partir de 1977 en Italie.

Lignes à grande vitesse en Europe.

Lignes à grande vitesse en Asie, 2014.

Les réseaux les plus maillés de LGV se trouvent :

• en Asie, essentiellement en Chine (avec un total de plus de 10 000 km de voie), au Japon (avec le réseau Shinkansen et ses 2 500 km de voie). On trouve aussi d'importants réseaux en Corée du Sud et à Taiwan ;
• en Europe, principalement en Espagne (avec l'AVE comptabilisant plus de 3 500 km de voie) et en France (avec le TGV et ses 2 000 km de voie). L'Allemagne et l'Italie ont aussi d'importants réseaux.

Aspects techniques

Les lignes à grande vitesse (LGV) présentent des caractéristiques techniques communes.

Le réseau

Il y a actuellement 15 pays dans le monde qui disposent de lignes permettant de circuler à une vitesse supérieure ou égale à 250 km/h.

Situation au 1^er septembre 2014 des lignes à grandes vitesses selon l'Union internationale des chemins de fer (UIC)^[1]. Il convient de noter dans le classement des lignes dont la vitesse est limitée à 110 et 130 km/h au Japon et 160 km/h en Turquie, alors que seules les lignes au dessus de 200 km/h sont prises en considération pour l'Europe. Le classement est effectué selon le kilométrage actuel des lignes en service.

Densité du réseau LGV en Europe (vitesse ≥ 250 km/h). En km par million d'habitants (2010).

Densité du réseau LGV. Est Asiatique (vitesse ≥ 250 km/h). En km par million d'habitants (2010).

Classement	Pays	En service (km)[1]	En travaux (km)[1]	planifiés (km)[1]	Total pays (km)
1	Chine	11 132	7 571	3 777	22 480
2	Japon	2 664	779	179	3 622
3	Espagne	2 515	1 308	1 702	5 525
4	France	2 036[2]	757	2 407	5 200
5	Allemagne	1 352	466	324	2 142
6	Italie	923	125	221	1 269
7	Turquie	688	469	1 758	2 915
8	Corée du Sud	412	247	49	708
9	États-Unis	362	0	777	1 139
10	Taïwan	345	9	0	354
11	Belgique	209	0	0	209
12	Pays-Bas	120	0	0	120
13	Royaume-Uni	113	0	543	656
14	Autriche	48	201	0	249
15	Suisse	35	72	0	107
16	Arabie saoudite	0	550	0	550
16	Maroc	0	200	480	680
17	Russie	0	0	3 150	3 150
17	Portugal	0	0	1 006	1 006
17	Suède	0	0	750	750
17	Pologne	0	0	712	712
17	Brésil	0	0	511	511
17	Inde	0	0	495	495
17	Malaisie[3] /  Singapour[4]	0	0	400	400

Chine : sur la liste des LGV donnée par l'UIC, Beijing - Tianjing et Shanghai - Nanjing sont des sections de la ligne Beijing - Shanghai et ne sont donc pas à comptabiliser dans le total des kilométrages des LGV chinoises.

Espagne et Italie : les sites des chemins de fer de ces pays indiquent des longueurs de LGV majorées de lignes n'entrant pas dans les critères de l'UIC (V.Max inférieures à 250 km/h).

La voie

La vitesse impose des contraintes géométriques au tracé des voies. En raison de l'augmentation de l'effet centrifuge avec la vitesse, le rayon minimal des courbes est élevé, en fonction des vitesses visées (à la différence des lignes anciennes construites à des époques où 120 km/h était de la grande vitesse). Ce rayon minimal va de 2500 m (pour la ligne de Shinkansen Tōkaidō ouverte en 1964 à 210 km/h) à 6 000 mètres pour des lignes récentes ou futures prévues pour des vitesses de l'ordre de 350 km/h. Selon le terrain les tracés sont le plus rectilignes possibles avec des courbes de plus grand rayon : le record du 3 avril 2007 à 574,8 kilomètres par heure a été obtenu dans une courbe de 16 667 mètres de rayon.

Le profil (rampes et pentes) peut, si la ligne est spécialisée aux circulations à grande vitesse, être aussi sévère que celui des lignes de montagne. L'énergie cinétique emmagasinée par les trains à grande vitesse et leur puissance massique très élevée leur permet de monter des rampes très fortes sans trop pénaliser leur consommation électrique. La LGV Paris-Sud-Est comporte des rampes de 35 ‰ (traversée du Morvan^[5]) ; sur la LGV Cologne - Francfort elles atteignent 40 ‰^[6]. Cette caractéristique facilite l'insertion des lignes et réduit les coûts de construction.

Elles doivent être à voie normale (1,435 m) ou à voie large. La voie métrique ou étroite ne permet pas d'atteindre 200 km/h en service courant. C'est pourquoi au Japon comme à Taiwan, le réseau à grande vitesse devait être distinct du réseau classique. Dans la péninsule ibérique, où les lignes classiques sont à voies larges, les LGV sont construites ou prévues à l'écartement standard uniquement pour préserver la compatibilité avec le reste de l'Europe.

La voie doit présenter des qualités géométriques et mécaniques très élevées. Pour les voies sur ballast : profil de ballast adapté, traverses en béton (mono- ou biblocs) partout, y compris sous les appareils de voie (bien que les appareils soient restés sur plancher bois jusqu'à la construction de LN3), rail lourd (UIC 60 - 60E1 aujourd'hui). Dans plusieurs pays (Japon, Allemagne, Chine), l'usage de voies sur dalles de béton se développe, voire se généralise.

L'entraxe des voies doit être augmenté (4,2 à 4,5 m) pour limiter l'effet de souffle au croisement de deux trains.

Les ouvrages d'art

Les ouvrages d'art nécessitent des calculs adaptés aux vitesses pratiquées (effets dynamiques plus importants).

Si elles comportent des tunnels, la section de ceux-ci doit être (sur)dimensionnée, en particulier aux extrémités, pour limiter les effets de pression aérodynamique.

Le type de trafic autorisé

Une LGV est le plus souvent dédiée au déplacement à grande vitesse des voyageurs et du courrier. Un trafic mixte voyageurs et marchandises entraîne des contraintes fortes. Le débit possible d'une ligne diminue fortement si y circulent des trains de vitesses très différentes (300 et 200 km/h, a fortiori 300 et 160 km/h). Le croisement de trains à grande vitesse et de trains de marchandises « tout venant » n'est guère envisageable en raison des risques de déstabilisation de chargements par effet de souffle. Aussi, les trains de marchandises ne peuvent-ils circuler que pendant les périodes de fermeture au trafic à grande vitesse — la nuit, par exemple. Mais ces périodes sont utilisées pour l'entretien de l'infrastructure.

Les fortes rampes limitent beaucoup le tonnage possible des trains de marchandises. Des circulations lentes empêchent d'appliquer à la voie le dévers maximum pour les LGV : pour une même vitesse limite, on doit alors prévoir des courbes de plus grand rayon. En conséquence, une ligne mixte est plus coûteuse en ouvrages d'art et plus difficile à insérer dans le paysage. La mixité est souvent limitée à des tronçons particuliers (contournement de Tours sur la LGV Atlantique, futur contournement de Nîmes et de Montpellier connecté à la LGV Méditerranée) ; ailleurs, elle concerne un faible nombre de circulations « lentes » (LGV allemandes ou LGV Sud-Est).

Les caténaires

Les LGV sont toujours électrifiées, car outre les contraintes d'emport de carburant et de réalimentation, la traction thermique ne permet pas les puissances massiques et les puissances instantanées nécessaires à la grande vitesse. Mise à part la LGV Rome-Florence électrifiée en 3 kV-CC (comme la Direttissima et le reste du réseau italien hors LGV), les LGV sont électrifiées à tension élevée : 15 kV 16,7 Hz dans les réseaux utilisant ce système (Allemagne, Autriche, Suisse), 25 kV 50 Hz ou 60 Hz partout ailleurs (même les actuelles et futures LGV italiennes).

Les caténaires sont plus tendues que celles des lignes classiques, afin que la vitesse de propagation de l'onde mécanique (ondulation du fil de contact de la caténaire provoquée par le contact du pantographe) reste supérieure à la vitesse du train. En effet, si le train allait plus vite que l'onde, on aurait une accumulation de la déformation en avant du pantographe, ou mur de la caténaire, un phénomène qui provoquerait une rupture de la caténaire (phénomène similaire au mur du son, mais pour un câble).

Les ondes générées par le frottement du pantographe se déplacent, sur une caténaire classique, à une vitesse proche de 350 km/h. Lorsque le train roule à une vitesse proche de ces ondes, il peut les rattraper. Le pantographe n’est alors plus en contact que par moments avec la caténaire, ce qui provoque une alimentation électrique par intermittence, empêchant une circulation normale de la rame (phénomène similaire à celui du mur du son). Il est donc nécessaire de tendre davantage la caténaire pour faire face à des circulations à des vitesses supérieures à 350 km/h, ce qui accélère son usure. C'est une des raisons pour lesquelles les records de vitesse sont en général établis sur des lignes neuves, où les caténaires neuves peuvent être sur-tendues sans risque de rupture mécanique, puis détendues pour être adaptées à la vitesse de service normal une fois le record établi.

Avec le record du 3 avril 2007, la vitesse de l’onde était de l’ordre de 620 km/h, à peine supérieure à la vitesse atteinte (574,8 km/h).

La signalisation

Les LGV sont équipées de systèmes de signalisation avec transmission d'informations sol-train (Transmission voie-machine (TVM) en France, Linienzugbeeinflussung (LZB), en Allemagne, Transmission balise-locomotive (TBL) en Belgique, etc...). Un système de signalisation européen existe : c'est l'ERTMS. Il est installé sur la LGV Est européenne en double avec la TVM 430, mais il n'est pas utilisé en 2009. Tous ces systèmes comportent un renvoi en cabine des informations sur la vitesse à respecter, la présence de coupez-courant, etc. et comportent un contrôle de la vitesse, soit continu par palier (TVM300), soit avec calcul de courbes de freinage (TVM430).

Elles sont généralement clôturées pour éviter les intrusions d'animaux et les actes de malveillance. Les passages à niveau sont proscrits et les ponts sont équipés de systèmes de détection pour éviter la chute d'objets sur la voie (DCV - Détecteurs de chutes de véhicules) ainsi que de systèmes de surveillance des vents latéraux (DVL - Détecteurs de vents latéraux). Certaines zones sont aussi équipées d'appareillages de mesures de gel (LGV Est).

Coût

Compte tenu de leurs caractéristiques techniques, la construction de lignes ferroviaires à grande vitesse représente un investissement relativement lourd.

Le prix au kilomètre est fonction de divers paramètres : le relief des zones à traverser ; les ouvrages d'art à construire, les communications à rétablir (notamment routières) ; le type de ligne envisagé (réservée aux circulations à grande vitesse ou mixte voyageurs / fret) ; l'insertion dans le paysage et le respect des réglementations locales en matière d'environnement.

Début 2007, on estimait le coût moyen au kilomètre à 17 millions d’euros courants, pour une emprise de 40 m (largeur totale) et une plateforme de 14 m, soit environ trois fois le coût de construction d'une autoroute 2×2 voies^[7].

Dans certains pays au relief accidenté (Espagne notamment), ce coût moyen peut doubler. Il en est de même lorsque la densité de population est telle que les lignes doivent passer en tunnel sur une longueur importante (desserte de la gare Londres - Saint Pancras).

Dans une étude effectuée pour RFF en mai 2009, le prix kilométrique varie entre 8 M€ et 66 M€. Les ouvrages d'art augmentent le coût kilométrique^[8].

Dans l'avant projet SNIT 2010, les prix varient entre 12,9 M€/km pour la LGV Poitiers Limoges (mais à voie unique) à 57,57 M€/km pour LGV PACA.

Les lois d'orientation du Grenelle II imposent au maître d'œuvre d'optimiser l'intégration environnementale des LGV, ce qui augmentera considérablement leur coût kilométrique^[9].

Capacité

L'investissement lourd est rentable si le trafic voyageurs est suffisant^[10]. Réseau ferré de France (RFF) indique sur son site qu'une LGV utilisée à son potentiel maximum par des TGV Duplex équivaut à une autoroute 2×5 voies. La capacité d'une ligne est dépendante du nombre de trains qu'on peut y faire circuler et du nombre de passagers qu'on peut transporter par train.

Une étude du ministère de l’Équipement de 2002 avait estimé que la capacité de la LGV Sud-Est, la plus chargée avec 75 000 voyageurs par jour cette année, avait une capacité théorique 4,5 fois supérieure^[11].

Au Japon, la ligne Shinkansen Tōkaidō a transporté 413 000 passagers par jour en 2007 (des gares intermédiaires importantes étant situées sur la ligne, une faible part des voyages se font de bout en bout)^[12].

Certains projets de ligne nouvelle, comme la LGV Paris - Londres par Amiens ou la LGV Centre France, sont notamment motivés par la saturation des anciennes lignes qu'elles sont amenées à doubler.

Au contraire, certains projets en Espagne semblent moins utiles. Par exemple, à nombre de kilomètres de ligne comparable, l'Espagne compte respectivement 5 % et 15 % du nombre de voyageurs à grande vitesse par rapport au Japon et à la France^[13].

Pour l'infrastructure

Le nombre de sillons quotidiens correspond au produit de la cadence maximale admissible par l'amplitude horaire de fonctionnement de la ligne.

Aujourd'hui, la LGV Paris-Lyon autorise la circulation de 12 trains par heure. L'utilisation de l'ERTMS niveau 2 (ou de la TVM 430, opérationnel par exemple sur la LGV est) permet de porter la capacité à 16 trains par heure. L'adoption du canton mobile déformable permise par l'ERTMS niveau 3 augmentera la capacité de la ligne à 19 sillons horaires^[14]. Pour comparaison, une ligne classique autorise de 20 à 25 sillons par heure^[15]; la SNCF a prévu d'expérimenter en 2013, sur certaines lignes d'Île-de-France, un régime d'exploitation permettant 40 sillons horaires^[16].

L'étude du ministère de l’Équipement fait l'hypothèse d'une circulation de 6 h 00 à 22 h 00 avec une heure d'interruption en journée (blanc travaux). C'est l'hypothèse de la régularité de la demande qui est la plus contraignante. Aujourd'hui, les demandes des voyageurs sont très fluctuantes (heures de pointe du matin et du soir, week-end, départ de vacances) et lisser les pics de consommation nécessite des techniques de yield management comme la modulation temporelle des tarifs en fonction de l'heure^[11]. Cela pose un problème politique d'équité entre les voyageurs ; dans un arrêt de 1993, le Conseil d'État a estimé que, sous certaines conditions, la modulation temporelle des tarifs était compatible avec la mission de service public de la SNCF^[17]. Depuis la conduite de cette étude^[11], l'introduction de NOTES (Nouvelle Offre Tarifaire Et de Service) en 2007 par la SNCF a augmenté le recours aux modulations tarifaires pour lisser davantage la demande.

Pour les trains

Le TGV Duplex permet de transporter 516 passagers assis par rame, c'est aujourd'hui le matériel TGV le plus capacitaire. Le développement de l'automotrice à grande vitesse Duplex pourrait augmenter les capacités d'emport. Il a été envisagé de construire des "Jumbo Duplex", composés de deux rames Duplex fusionnées, qui auraient embarqué 1 200 voyageurs^[18], mais l'étude a été abandonnée.

Au Japon, le Shinkansen est plus capacitaire grâce à une largeur supérieure au gabarit UIC (3,38 m et 1 323 passagers pour le Shinkansen série 700) autorisant 5 sièges par rangée.

Une rame TGV a une longueur de 200 m (237 m pour le TGV Atlantique). Elle peut circuler en unité simple ou en unité multiple (deux rames accouplées), formant un train de longueur compatible avec les quais de gare de 400 m normalisés par l'UIC. Dans les gares existantes, l'allongement des quais pour permettre un fonctionnement en unité triple ou quadruple est considéré comme trop onéreux. Il faudrait par ailleurs réfléchir à l'acheminement des passagers, 400 m étant considéré comme une limite haute à la distance de confort pour un voyageur à pied^[19].

La SNCF annonce un taux de remplissage moyen du TGV de 77 % en 2008^[20].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Liste des lignes à grande vitesse en France
• Liste des lignes à grande vitesse dans le monde
• Shinkansen
• Grande vitesse ferroviaire
• Infrastructure ferroviaire

Liens externes

• (pdf) Rapport sur l’interconnections des LGV européennes
• Le réseau grande vitesse européen supérieur à 200 km/h (PDF, 1 Mo)

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