La construction des lignes de chemin de fer : la naissance d’une technique, d’un esprit et d’un art nouveaux.

Dans les prochaunes années, de nombreux bicentenaires d’ouvertures de lignes de chemin de fer vont s’offrir et justifier les joies (ou les devoirs) de la commémoration historique. Est-ce que des millions de touristes, admirant chaque été les pyramides d’Egypte, se rendant sur l’Acropole ou parcourant la Muraille de Chine, vont découvrir que l’établissement des chemins de fer demanda, dès les origines, des travaux autrement plus importants et d’une ampleur sans précédent ? Par exemple, la pyramide de Khéops occupe un périmètre de 922 m, une surface de 53 056 m² , et pèse environ cinq millions de tonnes, occupant un volume d’environ 2,5 millions de m3. Sincères félicitations pour les Egyptiens !

Alors : 53000 m2 de surface pour la pyramide de Khéops ? Le bâtiment-voyageurs (ou « BV ») occupant une partie de la gare de Leipzig, en Allemagne, le plus grand d’Europe, construit en 1915, c’est 85300m2, soit presque le double de la pyramide… et nous ne parlons pas de la surface totale de la gare elle-même qui se compterait en combien de pyramides ?

Mais pensons aux grands tunnels ferroviaires et construits à la force du bras au XIXe siècle, à l’Egyptienne si l’on peut dire, avec les mêmes outils tenus à la main, comme celui du Mont Cenis dit du Fréjus (1857-1870 avec 13,6 km), ou du Saint-Gothard (1872-1882 avec 15 km) ou du Simplon (1898-1905 avec 19,8 km). Pour une seule voie, le gabarit à dégager (donc à creuser) en largeur est de 3,150 m et en hauteur de 4,280 m au-dessus de la surface du rail, soit environ une section d’une quinzaine de mètres carrés par voie, soit environ 30 mètres carrés pour les deux voies. Les trois tunnels cités sont à deux voies. Le volume est donc d’environ 450 000 m3 pour un tunnel à voie double d’une quinzaine de kilomètres. Là, Khéops fait plus fort avec son volume de 2 500 000 m3…

Mais il y a peu de Khéops au monde. Le chemin de fer, lui, en fera par milliers : ajoutons que, pour la France seulement, on peut compter environ un millier de tunnels certes plus courts, n’ayant parfois qu’une centaine de mètres, mais nombreux. Mais outre la France, il y a le monde : combien de tunnels, viaducs, murs de soutènement ? Seul un expert de l’ « Union Internationale des Chemins de Fer » pourrait répondre…

La pyramide égyptienne l’emporte si on la compare avec un seul tunnel du XIXe siècle, mais si l’on pense à tous les innombrables tunnels, viaducs et murs de soutènement et grands bâtiments des réseaux ferrés du monde entier, construits pour la plupart au XIXe siècle, le chemin de fer mondial l’emporte, de très loin, sur les monuments de l’antiquité. Et pourtant il n’y a pas de foules touristiques pour visiter les monuments ferroviaires.

La « Révolution industrielle » ? Certes, les touristes amateurs de pyramides en ont vaguement entendu parler et ils ne nient pas son importance, mais ils ne savent pas que l’industrialisation du monde n’a ou se faire que seulement quand il y eut des chemins de fer et des locomotives à vapeur et une construction continuelle et systématique de réseaux ferrés dans le monde entier.

La naissance du premier ensemble technique de transport en masse.

Le chemin de fer ? Né dans les mines du Moyen-Age sous la forme de rails en bois et de plaques tournantes au croisement des galeries, il fut, et est toujours, le seul moyen de transport en masse, une fois développé à la surface du sol, déplaçant chaque année à une vitesse 10 fois supérieure à celle des chevaux, des milliards de tonnes de marchandises, des milliards de voyageurs, apparaissant avec une force inconnue jusque là dès la fin du XVIIe siècle, sortant des galeries des mines et adoptant, à la surface du sol, la locomotive à vapeur dès les premières années 1800.

La construction des premières lignes de chemin de fer vit s’ouvrir des chantiers jamais vus dans l’histoire de l’humanité, et, surtout en des lieux souvent inaccessibles et dangereux comme les montagnes, les déserts, les immenses étendues glaciales du nord de la planète. C’est souvent le bouleversement complet d’une ville, la présence pendant des années et des années d’un chantier interminable et de dizaines de milliers d’hommes aux mœurs souvent rudes qui, en France par exemple, fit refuser le chemin de fer par un certain nombre de villes comme Tours, Orléans, ou Vesoul qui préfèrent tenir le chemin de fer à bonne distance…

Il fallait que les lignes soient exemptes de toute déclivité supérieure à quelques millimètres par mètre. Le fondement technique du chemin de fer est le faible effort à fournir pour déplacer des masses importantes. Le cheval, sur une route, tire péniblement 500 kg, mais, sur une voie ferrée, tire un train entier formé de 10 à 12 bennes de charbon, correspondant à un poids total d’une dizaine de tonnes. Seulement, il faut que la voie soit pratiquement « en palier » (pour respecter la terminologie ferroviaire), c’est-à-dire sans « rampes » ni « pentes » (laissons les termes de « montées » et de « descentes » à la route), et ne connaisse pas des « rampes » et « pentes » supérieures à 3 ou 4 mm par mètre, ce qui représente des déclivités négligeables pour les routes. Il faut donc bien égaliser le terrain emprunté par la voie ferrée, le comblant là où il descend trop bas, le creusant là où il monte trop haut, ceci afin de faire une plateforme pratiquement plane sur laquelle on installe les voies et les gares. Ce que les ingénieurs appellent « le mouvement des terres » est, pour une grande ligne traversant les Alpes par exemple, beaucoup plus important que les grands travaux des pharaons pourtant si admirés dans le monde entier.

L’exécution des terrassements et des ouvrages d’art.

Ces chantiers des années 1810 à 1910 occupent des milliers d’ouvriers qui, au pic, et à la pelle, creusent le sol, et transportent les déblais, avec des chariots et des chevaux, là où il y aura des remblais. Les excavateurs à vapeur sont un grand progrès, mais n’apparaissent que vers la fin du XIXe siècle. Pendant la quasi-totalité du XIXe siècle, tout se fait à la force du bras en recrutant des milliers d’hommes désœuvrés qui vont parfois très loin de chez eux pour consacrer toute une vie à ce nouvel idéal.

Les tunnels sont percés à la main, au pic. La dynamite, dangereuse, est connue et utilisée, mais le grand progrès est la perforatrice à air comprimé apparaissant, elle aussi, vers la fin du siècle précédent. Pour percer droit on se sert d’un miroir renvoyant le soleil, comme ce fut le cas pour les grands tunnels suisses. La maçonnerie des tunnels est faite par des maçons commençant par la voûte et finissant, au fur et à mesure du creusement, par les « piédroits » (nom donnés aux murs soutenant la voûte). Les murs de soutènement longeant les voies à flancde montagne, les ponts et viaducs sont aussi exécutés par des maçons, une fois les calculs faits par les ingénieurs.

Mais tous ces travaux de génie civil ne relèvent pas d’un domaine spécifiquement nouveau : quand on construit les premières lignes de chemin de fer au début du XIXe siècle, cela fait déjà des millénaires que l’homme creuse le sol, le déplace, le consolide avec des ouvrages d’art. La seule dimension nouvelle est le volume considérable des travaux, notamment en matière de longueur des tunnels ou de hauteur des viaducs. L’utilisation en très grande quantité du fer est nouvelle, et ne manque pas de poser des problèmes qui apparaissent comme insurmontables : comment, en particulier, construire des voies ferrées dont les rails ne se brisent pas sous les trains ? Ce fut bien le premier grand problème technique auquel la construction des lignes de chemin de fer se heurta directement.

Premières incertitudes techniques en France.

Les années 1800 à 1830 sont celles des débuts des lignes de chemin de fer sous la modeste forme dite des « canaux secs » avec leurs gares dites « ports secs » (ce nom est encore porté par certaines gares actuelles), car le chemin de fer n’est rien d’autre qu’un prolongement des rivières et canaux permettant d’atteindre des lieux où la construction d’un canal est techniquement impossible. Ces lignes sont en général très courtes et relèvent plutôt de l’embranchement industriel que de la ligne de chemin de fer à longue distance. Les locomotives n’existent pas encore : les trains sont tirés par des chevaux ou sont halés sur les rampes par des machines à vapeur fixes, et ces trains descendent les pentes par simple gravité.

Les années 1830 à 1860 sont celles de grandes incertitudes techniques : les ingénieurs découvrent, sous la pression d’une demande de transport insoupçonnée, que les techniques dont ils disposent ne « font pas le poids » et posent beaucoup plus de problèmes qu’ils n’en résolvent sur le plan économique et pratique.

Après une période héroïque de 1800 à 1830 sur des rails en fonte (on n’ a pas reconduit l’utilisation des rails en bois des galeries des mines), le rail en fer s’impose sur le réseau de surface anglais et gagne le continent qui construit ses premières lignes. Les difficultés naissent au cœur même du système, portant atteinte à sa qualité fondamentale : la sécurité. Posé sur des dés en pierre, le rail en fonte a été une catastrophe, cassant comme du verre sous le poids des trains et leurs vibrations. Mais le rail en fer montre vite ses limites, et donne, aux ingénieurs, de grands soucis faute d’une  « science métallurgique » qu’ils commencent à découvrir par la force des choses. Le rail en acier leur apportera-t-il la sérénité ?

Le problème est celui du vieillissement des rails et même de leur destruction sans cause apparente ou explicable. Les ingénieurs constatent que de nombreux facteurs, inconnus ou mal connus, viennent jouer pour détruire les rails, particulièrement une sorte de mystérieuse interaction entre les états des différents éléments composant une voie. En outre, on ne peut pas dire que les rails s’usent : « tantôt c’est le champignon supérieur qui se déforme et s’affaisse sans perte notable de matière, tantôt c’est le métal qui s’exfolie et se détache en lanières plus ou moins longues, plus ou moins épaisses » écrit Couche dans son magistral traité des chemins de fer, un des premiers grands ingénieurs théoriciens du chemin de fer. On constate que c’est soit le fer qui est trop mou, soit il manque d’homogénéité.

Le travail de la construction : comment le préserver ?

Lors de leur construction, les voies suivent exactement les rampes et les pentes (vulgairement en langage piéton ou automobiliste des « montées » et « descentes »), et aussi les paliers, ainsi que les courbes et alignements arrêtés pour les travaux de terrassement, tels qu’ils seront tracés sur la plateforme du chemin de fer. Lorsque les rails sont posés dans les coussinets en fonte vissés sur les traverses, on les coince avec des coins de bois, et on procède au dressement, au bourrage définitif, et au serrage à fond des éclisses. Pour la pose avec des rails « Vignoles », leur semelle plate permet la pose directe sur les traverses et, au fur et à mesure qu’une certaine longueur de rails est placée dans les entailles des traverses, et une fois la voie dressée, on procède à l’éclissage des rails et à la pose des crampons. Une fois construite, la voie est parfaite, mais tout va se liguer pour qu’elle ne le reste pas…

Tout le travail de l’ouvrier de la voie est, ensuite, de maintenir cet état de la voie tel qu’il l’est à la construction, donc de lutter contre tout ce qui vient altérer ou détruire la voie, comme le passage des trains, les ruissellements et mouvements de terrain, et surtout les intempéries. L’entretien courant des voies doit avoir pour objet de maintenir le dressement en plan et en profil, et aussi le surhaussement du rail extérieur dans les courbes et l’écartement normal des rails. Il consiste aussi à vérifier toutes les attaches de la voie, à serrer les boulons et tire-fond, à faire les « re-sabotages » (= réfection des encoches des traverses), bourrages (=réinjection de ballast) et dressages nécessaires, à remplacer les matériaux défectueux (rails, traverses, appareils de voie), à vérifier l’écartement, le dévers, les rayons des courbes et à les rectifier si besoin est. Cet entretien courant est fait en permanence, chaque équipe de cantonniers parcourant inlassablement son canton, sous le soleil en été et la neige en hiver. C’est un travail éternellement recommencé…

Les hommes au travail.

Pendant plus d’un siècle, des 1830 et jusqu’aux années 1950, le travail sur la voie se fait surtout à la main. Dans la pratique, la longueur des « cantonnements » imposés à chaque cantonnier, sur les lignes les moins fréquentées, ne dépasse guère 3000 mètres. Pour les lignes où les trains se succèdent à de faibles intervalles, comme les lignes de banlieue,  la longueur des « cantonnements » doit être réduite à 1600 mètres ou 1700 mètres, et ne devrait jamais dépasser 2500 mètres. Il est bien entendu que pour les agents chargés en même temps d’une portion de ligne et de la surveillance d’un passage à niveau, la longueur du cantonnement doit être moins étendue que pour les gardes-lignes qui ne sont en charge que d’un cantonnement classique.

Sur quelques réseaux français, les « gardes-lignes » ou « cantonniers » n’ont pas la charge à titre individuel d’un seul canton : ils sont organisés par brigades de cinq, plus un chef, et chargés ainsi en commun de l’entretien, des réparations et de la surveillance d’une section de ligne déterminée. Mais sur d’autres réseaux, chaque « garde-ligne » a un « canton » fixe, les réparations plus lourdes étant faites par des équipes volantes de poseurs. Ce dernier système produit de bous effets sur les lignes très fréquentées, où la surveillance se trouve ainsi mieux échelonnée et plus régulière.

Vers la fin du XIXe siècle, le « garde-ligne », homme à tout faire, y compris la signalisation et la commande des appareils de voie, a disparu. Les « aiguilleurs » et les « garde-barrières » sont apparus et se sont spécialisés. Les compagnies regroupant les sémaphores près des passages à niveau, ce qui permet de confier le tout à un couple de cheminots : le mari, « cantonnier » sur la voie, assure le service des barrières pendant la nuit tandis que sa femme fait le service des barrières le jour.

Les appareils de voie pour aiguiller les trains dans telle ou telle direction.

L’appareil de voie est le créateur du réseau et permet aux trains de passer d’une ligne à une autre. Prisonnier de la voie, le train y trouve toute sa sécurité, ses roues étant guidées par les rails grâce à l’emboitement des boudins de guidage des roues entre les faces internes des rails. Ce guidage parfait est le privilège technique du train, mais il faut bien, aussi, le faire changer de voie pour qu’il puisse circuler sur l’ensemble des réseaux. Le problème initial était ardu.

Un certain nombre de lignes des débuts utilisent un appareil de voie extrêmement simple, et sans doute découvert d’une manière empirique : la torsion des rails. Lorsque deux voies doivent se rejoindre, on pose les rails d’une manière convergente, on assure le croisement des rails en les raccordant entre eux, réalisant ce que l’on appelle une « pointe de cœur ».

Mais au point même du raccordement des rails des deux voies qui fusionnent en une seule, il faut bien assurer une surface de roulement continue pour les roues et les boudins de guidage des roues. Une pratique courante, peut-être héritée des mines, fut, alors, de déplacer par glissement latéral les rails d’une des voies pour mettre à leur place les rails de l’autre voie. La flexibilité naturelle des rails permet ce mouvement. L’inconvénient du système est que, si par oubli ou fausse manœuvre, un train vient de la voie non donnée, il déraillera (voir l’illustration ci-dessus).

Le système du changement de voies par aiguilles rigides mais mobiles est né du précédent, et consiste à venir coller le rail flexible, meulé en forme de lame longue et fine, contre le rail continu extérieur. Le rail ainsi affiné prend le nom d’aiguille, et l’ « aiguillage » est le terme qui désigne la paire d’aiguilles, mais surtout l’action d’aiguiller un train vers telle ou telle voie à partir d’un « poste d’aiguillage ». Contrairement à ce que croient beaucoup de personnes, le terme d’ « aiguillage » ne désigne pas seulement l’appareil de voie dans la pratique courante, mais bien et surtout l’action d’aiguiller un train.

Chaque appareil de voie comporte donc deux aiguilles fonctionnant en même temps, réunis par une tringle de connexion, et commandées par un levier d’aiguillage. La partie fixe des aiguilles s’appelle le « talon », et tout train venant du « talon » pourra toujours franchir l’appareil de voie, quelle que soit la position de l’aiguille, même s’il l’aiguille ne donne pas la voie d’où il vient: c’est ce que l’on appelle « talonner » un appareil de voie. L’appareil de voie à aiguilles, ou à lames mobiles, est celui qui est actuellement et universellement employé dans les chemins de fer.

L’ère des plaques tournantes.

Apparu dans les mines du moyen-âge, le principe du chemin de fer (mais avec des rails souvent en bois) permet le guidage des wagonnets ou des bennes de charbon, ceci avec précision malgré l’étroitesse des galeries, et dans l’obscurité. La disposition des mines comportant des galeries se recoupant à angle droit impose naturellement l’emploi de plaques tournantes. Mais le « vrai » chemin de fer, que l’on commence à construire à la surface du sol à partir de 1825, utilise, faute de mieux, lui aussi des plaques, notamment dans les gares où des batteries entières de plaques disposées côte à côte permettent de faire passer les wagons un à un d’une voie à une autre. Ce n’est guère commode et il faut trouver une solution plus radicale permettant de faire passer un train entier d’une voie à une autre.

Petit album de quelques grandeurs ferroviaires oubliées.