Conception des Routes et Autoroutes

1. Introduction : Enjeux et Acteurs

1.1 Rôle et Classification des Routes

Les routes sont des infrastructures de transport terrestre aménagées pour permettre la circulation des véhicules. Elles jouent un rôle essentiel dans la mobilité des personnes, le transport des marchandises, le désenclavement des territoires et le développement économique.

On classe les routes selon plusieurs critères :

• Fonctionnel :
  • Autoroutes : Voies à chaussées séparées, sans croisement à niveau, réservées aux véhicules rapides.
  • Routes Nationales / Express : Liaisons interurbaines importantes, pouvant avoir des caractéristiques proches des autoroutes.
  • Routes Départementales / Régionales : Assurent la desserte à l'échelle du département ou de la région.
  • Voirie Communale : Desserte locale au sein des agglomérations et des communes.
• Technique : Nombre de voies, type de chaussée, vitesse de référence, niveau de service.
• Administratif : Gestionnaire de la voirie (État, Région, Département, Commune).

1.2 Enjeux de la Conception Routière

La conception d'une route ou d'une autoroute doit concilier de multiples enjeux, parfois contradictoires :

• Sécurité des usagers : Objectif prioritaire, influençant la géométrie, la visibilité, les équipements.
• Fluidité du trafic : Assurer un écoulement satisfaisant du trafic attendu, minimiser les congestions.
• Confort des usagers : Qualité du tracé, état de surface de la chaussée.
• Durabilité de l'infrastructure : Résistance aux charges de trafic et aux agressions climatiques, minimisation des coûts d'entretien.
• Intégration environnementale : Minimiser l'impact sur les milieux naturels (faune, flore, eau), le paysage, le patrimoine et les nuisances pour les riverains (bruit, pollution).
• Coût économique : Optimiser les coûts d'investissement et d'exploitation sur le cycle de vie de l'ouvrage.
• Acceptabilité sociale : Prise en compte des attentes des populations locales et concertation.

1.3 Acteurs d'un Projet Routier

De nombreux acteurs interviennent dans un projet routier :

• Maître d'Ouvrage (MOA) : L'entité qui commande et finance le projet (État, collectivité territoriale, société concessionnaire...).
• Maître d'Œuvre (MOE) : L'entité (bureau d'études, services techniques...) chargée de la conception technique du projet et du suivi de sa réalisation.
• Entreprises de Travaux : Réalisent la construction de l'infrastructure.
• Bureaux de Contrôle : Vérifient la conformité des études et des travaux.
• Organismes de l'État et Services Publics : DREAL, Agences de l'Eau, Services Archéologiques...
• Riverains, Associations, Usagers : Parties prenantes à informer et concerter.

2. Études Préalables et Données d'Entrée

La phase de conception s'appuie sur un ensemble d'études préliminaires visant à recueillir les données nécessaires et à définir les contraintes du projet.

2.1 Études de Trafic (Actuel et Projeté)

Elles visent à quantifier le trafic existant et à prévoir son évolution à moyen et long terme (horizon de 20-30 ans).

• Comptages et enquêtes : Mesure du trafic actuel (Trafic Moyen Journalier Annuel - TMJA), répartition par type de véhicules (VL, PL), variations horaires, journalières et saisonnières. Enquêtes Origine-Destination.
• Modélisation et prévision : Utilisation de modèles pour estimer le trafic futur en fonction de l'évolution socio-économique, des projets d'aménagement du territoire, et de l'effet de la nouvelle infrastructure.
• Données clés : TMJA, pourcentage de Poids Lourds (PL), trafic à l'heure de pointe, taux de croissance. Ces données sont cruciales pour le dimensionnement géométrique et structural de la route.

2.2 Études Topographiques et Levé du Terrain Naturel

Un levé topographique précis du site du projet et de ses abords est indispensable pour :

• Établir un Modèle Numérique de Terrain (MNT) de la zone d'étude.
• Identifier les contraintes physiques (relief, obstacles, constructions existantes, réseaux...).
• Permettre l'optimisation du tracé et le calcul des terrassements.

Les techniques utilisées incluent la topographie classique (station totale, GNSS), la photogrammétrie (aérienne ou par drone) et le LiDAR.

2.3 Études Géotechniques des Sols

Elles visent à caractériser la nature et les propriétés mécaniques des sols en place le long du tracé envisagé.

• Sondages et essais : Réalisation de sondages (tarière, carottage), essais pressiométriques, pénétrométriques, essais en laboratoire sur échantillons.
• Objectifs : Identifier les différentes couches de sol, déterminer leur portance, leur compressibilité, leur sensibilité à l'eau, les risques d'instabilité (glissements), la présence de nappes phréatiques.
• Impact sur la conception : Choix des pentes de talus (déblais/remblais), conditions de réutilisation des matériaux en remblai, conception des fondations d'ouvrages d'art, nécessité de traitements de sol.

2.4 Études Hydrauliques et Hydrologiques

Analyse du régime des eaux superficielles et souterraines :

• Identification des cours d'eau, des bassins versants, des zones inondables.
• Estimation des débits de crue de projet pour le dimensionnement des ouvrages de franchissement (ponts, ponceaux).
• Conception du système d'assainissement de la plateforme routière (collecte et évacuation des eaux de ruissellement).

2.5 Études Environnementales et Concertation

L'étude d'impact environnemental est une obligation légale pour les projets importants. Elle évalue les effets du projet sur les milieux naturels (faune, flore, habitats), les paysages, les ressources en eau, l'air, le bruit, ainsi que sur le cadre de vie humain et le patrimoine. Elle propose des mesures pour éviter, réduire ou compenser les impacts négatifs.

La concertation avec le public, les élus locaux et les associations est une étape clé pour l'acceptabilité du projet.

3. Conception Géométrique

La conception géométrique définit les caractéristiques tridimensionnelles de la route pour assurer la sécurité et le confort des usagers, en fonction de la vitesse de référence et du type de route.

Principaux éléments de la conception géométrique d'une route.

3.1 Tracé en Plan

Projection de l'axe de la route sur un plan horizontal. Il est constitué d'une succession :

• D'alignements droits.
• De courbes circulaires : Caractérisées par leur rayon \(R\). Un rayon minimal est imposé en fonction de la vitesse de référence et du dévers maximal pour assurer la stabilité des véhicules.
• De courbes de raccordement progressif (clothoïdes) : Insérées entre un alignement droit et une courbe circulaire (ou entre deux courbes de rayons différents) pour permettre une variation progressive de la force centrifuge et du dévers, assurant le confort et la sécurité.

3.2 Profil en Long

Représentation de l'altitude de l'axe de la route en fonction de la distance parcourue (abscisse curviligne). Il est constitué d'une succession :

• De déclivités (pentes ou rampes) : Exprimées en pourcentage (%). Des valeurs maximales sont imposées en fonction du type de route et du relief pour limiter l'impact sur la vitesse des véhicules lourds.
• De raccordements verticaux (paraboliques) : Pour assurer une transition douce entre deux déclivités (raccordements en sommet ou en cuvette). Leur rayon est calculé pour assurer la visibilité et le confort.

3.3 Profil en Travers

Coupe transversale de la route, montrant ses différents composants :

• Chaussée : Surface de roulement des véhicules. Sa largeur dépend du nombre de voies et de la largeur des voies (ex: 3,50 m par voie courante).
• Accotements : Bandes latérales à la chaussée, stabilisées ou non.
  • Bande Dérasée de Gauche (BDG) et Bande Dérasée de Droite (BDD) sur autoroutes et routes à chaussées séparées.
  • Bande d'Arrêt d'Urgence (BAU) sur autoroutes.
• Dévers : Pente transversale de la chaussée (généralement 2,5% en alignement droit, vers l'extérieur) pour l'évacuation des eaux de pluie. En courbe, le dévers est relevé vers l'intérieur pour contrer la force centrifuge (jusqu'à 5-7%).
• Fossés ou Caniveaux : Pour collecter les eaux de ruissellement.
• Talus de déblai ou de remblai : Pentes latérales assurant la transition avec le terrain naturel. Leur inclinaison dépend de la nature des sols.
• Terre-Plein Central (TPC) : Sépare les chaussées sur les autoroutes et routes à chaussées séparées.

3.4 Coordination Tracé en Plan / Profil en Long

Une bonne conception nécessite une coordination harmonieuse entre le tracé en plan et le profil en long pour assurer la visibilité, la sécurité, le confort et une bonne intégration paysagère. On évite par exemple les raccordements verticaux en sommet coïncidant avec des débuts de courbe en plan (masque de visibilité).

3.5 Visibilité et Distances d'Arrêt

La géométrie doit garantir en tout point une distance de visibilité suffisante pour permettre à un conducteur de s'arrêter en toute sécurité avant un obstacle fixe (distance d'arrêt) ou de réaliser une manœuvre de dépassement (distance de visibilité de dépassement sur routes bidirectionnelles). Ces distances dépendent de la vitesse de référence, du temps de perception-réaction et du coefficient de frottement.

4. Conception de la Structure de Chaussée

4.1 Rôle et Fonctions des Couches de Chaussée

La structure de chaussée est un ensemble de couches superposées reposant sur le sol support (plateforme terrassement). Ses fonctions sont :

• Supporter les charges du trafic et les répartir sur le sol support pour que les contraintes y restent admissibles.
• Offrir une surface de roulement confortable, sûre (adhérence) et durable.
• Protéger le sol support des agressions climatiques (eau, gel).

4.2 Types de Chaussées

• Chaussées Souples : Composées de matériaux bitumineux (enrobés) sur des couches de fondation en matériaux granulaires non traités ou traités aux liants hydrauliques (graves). Elles se déforment de manière élastique sous les charges.
• Chaussées Semi-rigides : Comportent une couche de base traitée aux liants hydrauliques (grave-ciment, béton maigre) recouverte de couches de surface bitumineuses.
• Chaussées Rigides : Constituée d'une dalle en béton de ciment, armée ou non, reposant sur une couche de fondation.

Le choix dépend du trafic (surtout poids lourds), de la nature du sol support, des matériaux disponibles et des coûts.

4.3 Matériaux pour Chaussées

• Sol support (Plateforme) : Partie supérieure des terrassements (PST), doit être correctement compactée et portante.
• Couche de forme : Éventuelle couche d'amélioration du sol support.
• Couche de fondation : Assure la répartition des charges et la résistance structurale (graves non traitées GNT, graves traitées aux liants hydrauliques GLH...).
• Couche de base : Seconde couche structurale (graves-bitume GB, enrobés à module élevé EME...).
• Couche de liaison (si nécessaire) : Assure la liaison entre la base et la surface.
• Couche de roulement : Couche supérieure assurant le confort, l'adhérence et l'étanchéité (béton bitumineux BBTM, BBSG, BBME...).

4.4 Méthodes de Dimensionnement

Le dimensionnement consiste à déterminer les épaisseurs des différentes couches pour assurer la durée de vie de la chaussée sous le trafic cumulé attendu.

• Méthodes Empiriques : Basées sur l'expérience et des abaques (ex: catalogue des structures types de chaussées en France).
• Méthodes Mécanistiques-Empiriques : Calcul des contraintes et déformations dans les couches sous l'effet des charges (modèles mécaniques), et comparaison à des critères de fatigue des matériaux (lois empiriques). C'est l'approche la plus moderne et la plus précise (ex: logiciel Alizé-LCPC).

4.5 Drainage de la Chaussée

Un bon drainage est essentiel pour la durabilité de la chaussée. Il faut évacuer les eaux de surface (dévers, caniveaux) et les eaux d'infiltration dans le corps de chaussée (drains latéraux, couches drainantes).

5. Terrassements et Mouvement des Terres

5.1 Calcul des Profils en Travers Types

À partir du profil en long et des caractéristiques du profil en travers type (largeurs, dévers, pentes de talus), on calcule pour chaque abscisse la géométrie du profil en travers et sa position par rapport au terrain naturel.

5.2 Calcul des Cubatures (Déblais, Remblais)

En comparant le profil du projet au terrain naturel, on détermine pour chaque section les surfaces de déblai (terres à enlever) et de remblai (terres à apporter). En intégrant ces surfaces le long du projet, on obtient les volumes de déblais et de remblais (cubatures).

5.3 Diagramme des Mouvements de Terres (Épure de Lalanne)

C'est un graphique qui représente le volume cumulé des déblais et remblais le long du projet. Il permet de visualiser les zones excédentaires (déblais > remblais) et déficitaires, et d'optimiser les distances de transport des terres sur le chantier pour minimiser les coûts (emprunts et dépôts extérieurs).

5.4 Optimisation des Mouvements de Terres

L'objectif est d'équilibrer au mieux les déblais et les remblais sur le chantier pour réduire les transports et les coûts. Cela peut influencer l'ajustement du profil en long du projet.

6. Ouvrages Annexes et Équipements

6.1 Assainissement Routier

Ensemble des dispositifs visant à collecter et évacuer les eaux de ruissellement de la plateforme et des talus (fossés, caniveaux, avaloirs, drains, bassins de rétention/traitement...).

6.2 Signalisation

• Signalisation Horizontale : Marquage au sol (lignes axiales, de rive, passages piétons...).
• Signalisation Verticale : Panneaux de danger, de prescription, d'indication, directionnels.
• Signalisation Lumineuse : Feux tricolores, éclairage public.

6.3 Équipements de Sécurité

Dispositifs visant à réduire la gravité des accidents : glissières de sécurité (métalliques, béton), atténuateurs de choc, écrans anti-éblouissement...

6.4 Ouvrages d'Art Courants

Ponts pour franchir les cours d'eau ou les autres voies, viaducs, tunnels, passages supérieurs ou inférieurs, ponceaux (petits ouvrages hydrauliques), murs de soutènement... Leur conception est un domaine d'ingénierie spécifique.

6.5 Aires de Repos et de Service (Autoroutes)

Aménagements nécessaires pour le confort et la sécurité des usagers sur les longs trajets.

7. Aspects Environnementaux, Socio-économiques et Réglementaires

7.1 Prise en Compte de l'Environnement

Mesures pour réduire l'impact sur la faune (passages à faune), la flore (replantation), les ressources en eau (bassins de traitement des eaux de ruissellement), le paysage (intégration paysagère), le bruit (écrans acoustiques, revêtements peu bruyants).

7.2 Impact Socio-économique et Concertation Publique

Analyse des bénéfices attendus (gain de temps, développement économique) et des inconvénients (nuisances, expropriations). La concertation avec les populations concernées est une phase importante pour l'acceptabilité des projets.

7.3 Cadre Normatif et Réglementaire

La conception routière est encadrée par de nombreuses normes et guides techniques (ex: en France, les instructions de l'ICTAAL, ICTAVRU, ARP pour les autoroutes et routes principales, les guides du SETRA/CEREMA...).

8. Conclusion

La conception des routes et autoroutes est un processus itératif et multidisciplinaire qui exige une analyse approfondie de multiples contraintes et objectifs. De la définition des besoins de trafic à la spécification des matériaux de chaussée, chaque étape doit être menée avec rigueur pour aboutir à une infrastructure sûre, durable, fonctionnelle et intégrée dans son environnement.

Les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) et de modélisation (trafic, hydraulique, structure) sont aujourd'hui indispensables pour optimiser les projets et évaluer leurs performances. L'innovation continue dans les matériaux, les techniques de construction et la gestion des infrastructures vise à répondre aux défis croissants de mobilité durable et de préservation de l'environnement.