Ligne à grande vitesse

Une ligne à grande vitesse, ou LGV, est une ligne ferroviaire construite spécialement pour permettre la circulation de trains à grande vitesse.

Pour un article plus général, voir Grande vitesse ferroviaire.

Pour les articles homonymes, voir LGV (homonymie).

Lignes à grande vitesse en Europe.
Lignes à grande vitesse en Asie de l'ouest.
Lignes à grande vitesse en Asie de l'est.

Selon la définition de l'Union internationale des chemins de fer (UIC) employée dans la plupart des pays, cela comprend les nouvelles lignes construites pour une vitesse d'au moins 250 km/h, ainsi que les lignes existantes adaptées à une vitesse de 200 à 220 km/h, utilisées par des trains spécialement conçus pour la grande vitesse[1], voire aussi les nouvelles lignes d'accès aux LGV, notamment en Espagne[2].

On considère qu'au-delà de cette vitesse, l'observation de la signalisation latérale n'est plus possible (selon la norme UIC[Laquelle ?]). 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 est mise en service au Japon en 1964, baptisée Shinkansen. En Europe, la première ligne à grande vitesse est la Direttissima Florence-Rome, mise en service en 1977 en Italie. Il existe deux types de LGV, celles étanches au réseau historique (notamment pour des raisons de compatibilités techniques : écartement entre rails et gabarit) et celles en connexion avec ce dernier.

Les réseaux les plus maillés de LGV se trouvent :

  • en Asie, essentiellement en Chine (avec un total de presque 39 000 km de ligne à grande vitesse fin décembre 2020) et au Japon (avec le réseau Shinkansen et ses 2 500 km de voie). On trouve aussi d'importants réseaux en Corée du Sud (avec des extensions à venir) et à Taiwan ;
  • en Europe, principalement en Espagne (avec l'AVE comptabilisant 2 850 km de lignes nouvelles) et en France (avec le TGV et ses 2 814 km de voie nouvelles), mais aussi en Allemagne et en Italie[3].

Depuis 2015, d'autres pays ont mis en service des lignes à grande vitesse, comme la Turquie, le Maroc et l'Arabie Saoudite.

Historique

Les lignes à grande vitesse font encore l'objet de chantiers, particulièrement en Chine, dont l'objectif est d'atteindre 70 000 km de LGV en service en 2035[réf. nécessaire].

Aspects techniques

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

Le réseau

En 2020, 21 pays dans le monde disposaient de lignes permettant de circuler à une vitesse supérieure ou égale à 220 km/h. Le tableau suivant dresse l'inventaire mondial au (fin pour la Chine) des lignes à grandes vitesses selon l'Union internationale des chemins de fer (UIC). Il tient compte, pour son classement, de 307 km de lignes dont la vitesse est limitée entre 70 et 130 km/h au Japon, 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.

Étendue des réseaux de LGV par pays en février 2020 (en kilomètres)[4]
PaysEn service[4]En travaux[4]Planifiés[4]Long termeTotal pays
1 Chine38 7003 0008 30020 00070 000
2 Espagne3 3301 29367605 299
3 Japon3 04140219403 637
4 France2 734001 7254 459
5 Allemagne1 571147812102 009
6 Finlande1 1200001 120
7 Italie921327001 248
8 Corée du Sud8930490942
9 États-Unis7357631 6594493 606
10 Turquie5941 6527894 3847 419
11 Arabie saoudite449000449
12 Taïwan354000354
13 Autriche254281710606
14 Pologne22408058751 904
15 Belgique209000209
16 Maroc20001399751 314
17 Suisse1441500159
18 Royaume-Uni1132303200663
19 Pays-Bas9000090
20 Tchéquie6406663181 048
21 Danemark5600056
22 Iran01 3361171 6513 104
22 Thaïlande02534311 9582 642
22 Suède011150589750
22 Russie001 0801 5492 629
22 Égypte009103001 210
22 Indonésie007120712
22 Inde005084 1264 634
22 Lituanie003920392
22 Lettonie002650265
22 Estonie002130213
22 Israël0085085
22 Afrique du Sud0002 3902 390
22 Australie0001 7491 749
22 Viêt Nam0001 6001 600
22 Kazakhstan0001 0111 011
22 Portugal000596596
22 Brésil000511511
22 Malaisie000335335
22 Norvège000333333
22 Canada000290290
22 Mexique000210210
22 Bahreïn /
Qatar		000180180
22 Singapour0001515
  • Densité et projets de constructions de lignes à grande vitesse pour certaines zones géographiques
  • 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).
  • Lignes à grande vitesse actuelles et futures en Russie permettant de relier l'Europe à l'Asie.
  • Lignes à grande vitesse aux États-Unis.

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 2 500 mètres (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 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[7].

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 bi-blocs) 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
Cage de renforcement pour un pieu foré, lors de la construction de la LGV Nuremberg – Erfurt (en Allemagne).

Les ouvrages d'art nécessitent des calculs adaptés aux vitesses pratiquées (effets dynamiques plus importants[8]).

Si elles comportent des tunnels, la section de ceux-ci doit être (sur)dimensionnée, en particulier aux extrémités, pour limiter les effets de la 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 (ancien contournement de Tours sur la LGV Atlantique[9], 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 de 15 kV et 16,7 Hz dans les réseaux utilisant ce système (Allemagne, Autriche, Suisse), 25 kV à 50 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 ondulant 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. 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'ETCS. 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[10].

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 , le prix kilométrique varie entre 8 M€ et 66 M€. Les ouvrages d'art augmentent le coût kilométrique[11].

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[12].

Capacité

L'investissement lourd est rentable si le trafic voyageurs est suffisant[13]. 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 LGV Sud-Est, la plus chargée avec 75 000 voyageurs par jour cette année, avait une capacité théorique 4,5 fois supérieure[14].

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)[15].

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. À nombre de kilomètres de ligne comparable, l'Espagne compte respectivement 5 % et 15 % du nombre de voyageurs à grande vitesse du Japon et de la France[16].

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'ETCS niveau 2 (ou de la TVM 430, opérationnel par exemple sur la LGV est) permettrait de porter la capacité à 16 trains par heure. L'adoption du canton mobile déformable permise par le futur ETCS niveau 3 augmenterait la capacité de la ligne à 19 sillons horaires[17]. Pour comparaison, une ligne classique autorise de 20 à 25 sillons par heure[18]; la SNCF a prévu d'expérimenter en 2013, sur certaines lignes d'Île-de-France, un régime d'exploitation permettant 40 sillons horaires[19].

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[14]. 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[20],[21]. Depuis la conduite de cette étude[14], 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

Les TGV Duplex "L'Océane" en service entre Paris, Bordeaux et Toulouse, permettent de transporter 556 passagers assis par rame, c'est aujourd'hui le matériel TGV de plus grande capacité. 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[22], mais l'étude a été abandonnée.

Au Japon, le Shinkansen est de plus grande capacité grâce à une largeur supérieure au gabarit UIC (3,38 m et 1 323 passagers pour le Shinkansen série 700) autorisant cinq sièges par rangée en seconde classe (quatre par rangée en 1re classe).

En Chine, cinq sièges sont placés par rangée en seconde classe, quatre en 1re classe et trois en classe affaire dans les nouveaux Fuxing.

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 organiser l'acheminement des passagers, 400 m étant considéré comme une limite haute à la distance de confort pour un voyageur à pied[23].

La SNCF annonce un taux de remplissage moyen du TGV de 77 % en 2008[24].

Notes et références
  1. (en) What is high speed rail ?, Union internationale des chemins de fer.
  2. « Recommandation de la Commission du 21 mars 2001 concernant les paramètres fondamentaux du système ferroviaire transeuropéen à grande vitesse visés à l'article 5, paragraphe 3, point b), de la directive 96/48/CE », sur EUR-Lex, (consulté le ), document no 32001H0290.
  3. Carlo Pfund, « Le réseau des lignes de chemin de fer à grande vitesse en Europe » [PDF], Communauté d'intérêts pour les transports publics, section du Vaud, (consulté le ).
  4. (en) « High speed lines in the world » [PDF], sur Union internationale des chemins de fer, (consulté le ).
  5. Gérard Blier, Nouvelle Géographie ferroviaire de la France, Tome 2 : L'organisation régionale du trafic, 1993, éd. La Vie du Rail, p. 85-87.
  6. (en) Railway Technology - Frankfurt-Cologne route of the Inter City Express network operated by Deutsche Bahn, sur le site railway-technology.com
  7. Condition sine qua non au financement important apporté par l'Union Européenne
  8. Dans les deux sens, puisque les voies sont « banalisées ».
  9. DÉCISION de fermeture de la section, comprise entre les PK 223.628 et 232.316 d’une longueur de 8.688 kilomètres, de Chambray-lès-Tours à Monts de la ligne no 431000 de Paris-Montparnasse à Monts, étant précisé que son emprise est maintenue dans le domaine public ferroviaire.
  10. Coûts moyens pour les LGV françaises construites par la SNCF et/ou RFF, en service au - Chiffres RFF. Le coût moyen au kilomètre d'une autoroute 2 × 2 voies varie de 4,5 M€ à plus de 7 M€, en fonction notamment du relief des zones à traverser - Source ministère français de l'Équipement et des Transports.
  11. LGV Poitiers Limoges : label bas coût ! Sur le site lgv.limogespoitiers.info
  12. Grenelle: la trame verte, un statut de protection inédit de la nature Sur le site lgv.limogespoitiers.info
  13. Les fondements de la remise en cause du Schéma Directeur des liaisons ferroviaires à grande vitesse : des faiblesses avant tout structurelles p. 183-194 Annales de Géographie no 593-594 Pierre Zembrilien 1997
  14. [PDF]Des réserves importantes de capacité à long terme dans les principales lignes ferroviaires à grande vitesse et les grands aéroports parisiens Alain Sauvant 2002
  15. (en) JR Central Data Book 2008 [PDF], sur jr-central.co.jp
  16. (es) El AVE: sueños de nuevo rico, sur le site nuevatribuna.es
  17. Philippe Hérissé, « Super-signalisation contre saturation sur Paris-Lyon ? »(Archive • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?) Sur le site blog.laviedurail.com, février 2007
  18. Transport du Grand Paris: la SNCF propose une variante ferroviaire avec TGV, dépêche AFP 29 juillet 2009
  19. Vers un trafic plus fluide sur les RER et trains Transilien, sur ctendance.com (consulté le 2 juin 2012).
  20. Assemblée générale (Section des travaux publics) no 353 605 - 24 juin 1993 [PDF], sur conseil-etat.fr
  21. A l'inverse, cette modulation a permis d'optimiser le système en faisant décaler les séjours de loisirs à la semaine, du dimanche au samedi, d'abord pour ceux en montagne puis pour ceux des façades maritimes, justement dans le creux du WE pour le ferroviaire et de la pleine charge sur le réseau routier.
  22. (en) TGV : 25 years of success to share, ALSTOM continues to innovate, sur le site alstom.com du 22 janvier 2012
  23. Accord Européen sur les Grandes Lignes Internationales de Chemin de Fer (AGC) [PDF], sur unece.org, 31 mai 1985.
  24. [PDF] Bilan 2008 - perspectives 2009, SNCF (consulté le 2 juin 2012).

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes
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