Depuis l’apparition de la première ligne à grande vitesse en 1964, le Shinkansen au Japon, ce type d’infrastructure a évolué jusqu’aux actuelles, qui permettent de circuler à plus de 500 km/h, une vitesse bien supérieure à celle atteinte par les chemins de fer traditionnels. Nous ferons une comparaison générale entre les lignes à grande vitesse et les lignes ferroviaires traditionnelles en fonction de leur infrastructure, de leur superstructure, de leur signalisation et de leurs télécommunications.

Les couches d’infrastructure.

Il s’agit du matériau placé entre les traverses et le nivellement, dont la fonction est d’assurer le bon fonctionnement de la voie en termes de rigidité, d’alignement, de nivellement et de drainage. En général, elles sont composées de la couche supérieure de ballast et d’une couche inférieure de sous-ballast, et d’autres types de couches peuvent apparaître. La principale différence entre les lignes traditionnelles et les lignes à grande vitesse est l’absence de couches intermédiaires dans les voies conventionnelles, passant directement de la couche de ballast à la plate-forme. Dans la LGV, cependant, des couches de sous-ballast, de gravier et de sable apparaissent, ce qui améliore les réactions de la voie aux pressions et à la dégradation de la plate-forme. Les différences entre les deux types de lignes ferroviaires se limitent à une meilleure qualité des quais des LGV en raison de leur plus grande sollicitation. Une ligne à grande vitesse, ou LGV, est une ligne ferroviaire construite spécialement pour permettre la circulation de trains à grande vitesse.

Passages supérieurs, inférieurs et à niveau

Pour les vitesses supérieures à 140 kilomètres à l’heure, on ne constate pas de différences majeures dans les gabarits et les sections des passages supérieurs et inférieurs. Il est seulement obligatoire de prévoir des systèmes de protection pour empêcher l’accès sur les lignes à grande vitesse. La dissimilitude la plus notable dans cette section apparaît dans le cas des passages à niveau, puisque dans le cas des lignes traditionnelles, il est d’usage courant alors qu’à grande vitesse il n’est pas autorisé.

Ponts

En raison de l’apparition d’actions hautement dynamiques dans le cas des lignes à grande vitesse, ce type d’infrastructure se distingue par sa construction, étant en béton précontraint dans les LGV alors que dans les lignes conventionnelles, il peut s’agir d’ouvrages en usine, en métal ou en béton armé ou précontraint.

Tunnels

Enfin, en ce qui concerne les tunnels, on constate des changements importants en termes de section transversale entre les deux types de voies, en raison des phénomènes physiques qui se produisent au passage du train par exemple l’effet de piston, les sections de la LGV étant en moyenne doublées.

Superstructure

Inclinaison du rail ne varie pas en fonction de la vitesse d’exploitation mais plutôt en fonction des caractéristiques des profils des roues du train. En général, pour les lignes à grande vitesse, on utilise des inclinaisons de 1:20 ou 1:40, alors que sur de nombreuses voies conventionnelles, l’inclinaison des aiguillages et des passages à niveau est complètement verticale.

Tracé

Il existe de nombreuses variables dans le tracé et l’élévation d’une ligne de chemin de fer : rayon minimum, dévers maximum, accélération non compensée, longueur de transition, rampe maximum. Leurs valeurs sont principalement déterminées par la vitesse de circulation, de sorte qu’il y aura de grandes différences entre la géométrie des voies des deux types de lignes ferroviaires : dans le cas des lignes à grande vitesse, les restrictions du tracé sont beaucoup plus importantes en ce qui concerne le rayon de courbure dans les courbes, ou la longueur de transition. Cela signifie que le tracé de ce type de ligne est plus difficile à adapter au terrain et nécessite donc beaucoup plus de tunnels, de grands viaducs, d’excavations, de terrassements.

Voie

Les différences entre les voies sont déterminées par leur poids par mètre linéaire, plus la vitesse de fonctionnement est élevée, plus le poids est important. Il est également obligatoire de mettre en évidence les systèmes de connexion ferroviaire, où ils diffèrent également sur les lignes conventionnelles et à grande vitesse. 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. Ce rayon minimal va de 2 500 mètres à 6 000 mètres pour des lignes récentes ou futures prévues pour des vitesses de l’ordre de 350 km/h. 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. Elles doivent être à voie normale 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 Taïwan, 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 partout, y compris sous les appareils de voie, rail lourd. Dans plusieurs pays, l’usage de voies sur dalles de béton se développe, voire se généralise.

Aiguillages et passages à niveau

Les aiguillages et les passages à niveau permettent de bifurquer et de croiser différentes voies ferrées. Elles varient en fonction de la vitesse de passage sur les voies directes et déviées, d’où leur différence entre les deux types de lignes comparées. Par exemple, en cas de dépassement de 220 km/h, l’installation d’aiguillages à pointes mobiles est obligatoire.

Traverses et attaches

La principale différence entre les traverses et les attaches est la nécessité d’une plus grande rigidité à la flexion, de traverses plus lourdes avec une plus grande surface d’appui et d’un système d’attaches plus élastique. Cependant, dans le cas des lignes à grande vitesse, les exigences sont beaucoup plus élevées : les installations de sécurité les plus couramment utilisées sur les lignes classiques sont les systèmes de contrôle du trafic informatisés, le blocage téléphonique et le blocage automatique par l’ASFA. D’autre part, les LGV européennes utilisent le système européen de gestion du trafic ferroviaire, qui permet des vitesses allant jusqu’à 500 km/h et des niveaux de sécurité très élevés.

Les ouvrages d’art

Les ouvrages d’art nécessitent des calculs adaptés aux vitesses pratiquées. Si elles comportent des tunnels, la section de ceux-ci doit être 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. 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.