Approche paramétrique de l’évaluation des impacts environnementaux du creusement au tunnelier par l’Analyse du Cycle de Vie

Les tunnels occupent une place croissante dans les projets d’infrastructures en raison des avantages qu’ils offrent par rapport aux solutions de surface. En milieu urbain dense, ils libèrent de l’espace, réduisent les nuisances sonores et visuelles et renforcent l’interconnexion des réseaux de transport. En zone montagneuse, ils limitent les pentes, réduisent les distances et favorisent les transferts modaux à l’image du tunnel de base de Mont-Cenis, élément central de la section transfrontalière de la ligne ferroviaire Lyon-Turin (Tunnel Euralpin Lyon-Turin – TELT). Parmi les méthodes de creusement de tunnel, le tunnelier s’impose comme la méthode la plus efficace pour les ouvrages de grande longueur grâce à son adaptabilité à divers contextes géotechniques et son environnement de travail plus sûr.

Toutefois, les impacts environnementaux liés à la construction de tunnels sont importants en raison des grandes quantités d’énergie et de matériaux mobilisées. Si les méthodes conventionnelles de creusement ont déjà fait l’objet d’évaluations de type empreinte carbone et Analyse du Cycle de Vie (ACV), le creusement au tunnelier a été étudié plus partiellement, la machine n’étant pas intégrée de manière détaillée aux frontières du système. Par ailleurs, chaque projet étant unique par ses dimensions, les terrains rencontrés et son contexte géographique, les résultats existants sont difficiles à généraliser.

Dans ce contexte, cette thèse poursuit deux objectifs : i) développer un modèle paramé- trique d’ACV intégrant l’ensemble du cycle de vie du tunnelier, de sa fabrication à sa fin de vie, en passant par la phase opérationnelle, ii) proposer des modèles prédictifs des impacts environnementaux en fonction des caractéristiques clés des projets. Le projet TELT a servi de cas d’étude.

Un premier modèle statique d’ACV a été établi. Deux modèles d’allocation ont été étudiés afin de quantifier les impacts environnementaux ainsi que les bénéfices associés à la réutilisation de composants et au recyclage de matériaux, tant en amont qu’en aval du cycle de vie. Des analyses d’incertitude et de sensibilité ont également été menées sur les données d’entrée.

Une approche paramétrique a ensuite été développée à partir d’une base de données de plus de 500 tunneliers, fournie par le fabricant de tunneliers Herrenknecht. Un modèle d’estimation de la consommation électrique d’excavation et un modèle de remplacement des outils de coupe, tous deux liés aux paramètres de pilotage du tunnelier et aux conditions géotechniques, ont été intégrés à l’approche. Les paramètres d’incertitude et de variabilité du modèle ont été échantillonnés à l’aide des suites de Sobol’, générant un plan d’expériences numériques qui évalue les impacts environnementaux de chaque creusement tout en optimisant le nombre de simulations nécessaires. L’analyse de sensibilité par indices de Sobol’ a permis de hiérarchiser l’influence des paramètres sur la variance des indicateurs environnementaux.

La sélection des paramètres les plus influents a conduit à un jeu de données réduit, utilisé pour élaborer des modèles prédictifs des impacts environnementaux. Deux modèles de régression ont été étudiés : la régression linéaire à multiples paramètres et l’algorithme XGBoost. Leurs performances ont été évaluées via des indicateurs statistiques dont l’erreur quadratique moyenne et l’erreur absolue moyenne en pourcentage.

Les perspectives de ce travail concernent l’élargissement des frontières du système au cycle de vie complet du tunnel, l’intégration d’autres types de tunneliers (pression de boue, pression de terre, etc.) ainsi que la prise en compte des incertitudes liées aux bases de données environnementales. Deux axes méthodologiques s’ouvrent également : i) le couplage des modèles prédictifs avec des approches d’optimisation multicritère (changement climatique et ressources abiotiques), ii) l’intégration de dimensions économiques et sociales dans une perspective de développement durable.

Mots clés : Tunnelier; Analyse du Cycle de Vie (ACV); Ouvrages souterrains; Approche paramétrique; Impacts environnementaux; Modèle prédictif.