Chemin de fer

Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et de marchandises. Il se compose d'une infrastructure spécialisée, de matériel roulant et de procédures d'exploitation faisant le plus souvent intervenir l'humain, même si dans le cas des métros automatiques cette intervention se limite en temps normal à de la surveillance.

Par métonymie, « chemin de fer » désigne aussi les sociétés exploitantes, souvent appelées autrefois « compagnies ». Les employés du chemin de fer sont les « cheminots ».

L'expression « chemin de fer » est apparue officiellement dans l'ordonnance royale du 26 février 1824 autorisant la construction de la première ligne française à Saint-Étienne. L'adjectif correspondant, « ferroviaire », qui dérive de l'italien ferrovia, est apparu vers 1911.

Le système ferroviaire est aussi utilisé sous diverses déclinaisons spécialisées : métros, tramways, chemins de fer à crémaillère.

L'infrastructure des chemins de fer est appelée voie ferrée. Elle se compose, la plupart du temps, de deux files de rails posés sur des traverses, d' appareils de voie, passages à niveau, de la signalisation et, le cas échéant, des installations de traction électrique (sous-stations, caténaires, etc.).

Le matériel roulant circule communément en convois, appelé trains ou rames. Les convois sont composés de wagons ou de voitures tractés par des locomotives. Il peut également s'agir de rames autotractées, c'est-à-dire incluant leur propre système de traction.

L'humain est au centre des systèmes ferroviaires couramment rencontrés, que ce soit pour la conduite des trains, l'orientation des convois vers leur destination, la sécurisation des voyageurs ou marchandises transportées. Le travail de l'humain est encadré par des procédures. Très tôt, on a légiféré sur le chemin de fer. En France, la loi du 15 juillet 1845 (encore en vigueur) pose les bases de la Police du Chemin de Fer (statut des voies ferrées, servitudes, droits et devoirs des exploitants et des tiers, contrôle des titres de transport, etc.). Depuis, de nouvelles lois et de nombreux règlements sont venus la compléter, en ce qui concerne la sécurité, l'organisation et le service public.

L'un des premiers exemples de chemin guidé est celui du Diolkos, un système permettant aux bateaux de franchir l'isthme de Corinthe en Grèce, construit au VI siècle av. J.-C. Des chariots poussés par des esclaves et par des bêtes de somme circulaient dans des blocs de pierre entaillés. Ce « chemin de fer » primitif a fonctionné approximativement jusqu'en l'an 900.

Les premiers wagons tractés par des chevaux sont apparus en Grèce et dans l'Empire romain aux alentours de l'an 1, utilisant eux aussi une voie constituée de pierres entaillées.

La réapparition des transports guidés a eu lieu en Europe aux alentours de 1550, pour des voies minières. Celles-ci utilisaient des rails de bois. La première voie ferrée a été établie au Royaume-Uni au début du XVII siècle, principalement pour le transport du charbon d'une mine à un canal, d'où il pouvait être chargé sur des barges. On trouve des traces de ce genre de chemins de fer à Broseley dans le Shropshire. Les rails étaient constitués de bois nu, les roues étaient munies de boudins, comme sur les véhicules ferroviaires actuels. En 1768, la compagnie Coalbrookdale eut l'idée de remplacer ses rails en bois par des rails en fonte moulée, pour limiter l'usure de la voie et transporter de plus lourdes charges.

Les rails de fer sont apparus au début du XVIII siècle. L'ingénieur William Jessop conçut des rails prévus pour être utilisés avec des roues sans boudin : ils constituaient une sorte de cornière. Ces rails devaient être utilisés pour un projet dans le secteur de Loughborough, Leicestershire en 1789. En 1790 il était de ceux qui fondèrent une aciérie à Butterley, Derbyshire pour produire des rails (entre autres). Le premier chemin de fer ouvert au public a été le Surrey Iron Railway, ouvert en 1802 par Jessop. Les convois étaient tractés par des chevaux.

La première locomotive à vapeur a fonctionner sur des rails a été construite par Richard Trevithick et essayée en 1804 à Merthyr Tydfil au Pays de Galles. Cette tentative ne fut pas couronnée de succès, l'engin étant si lourd qu'il brisait la voie.

En 1811, John Blenkinsop conçut la première locomotive réellement utilisable. Il fit breveter (No 3431) un système de transport du charbon mû par une locomotive à vapeur. La ligne fut construite, raccordant Middleton Colliery à Leeds. La locomotive a été construite par Matthew Murray de Fenton, Murray and Wood. Le Middleton Railway fut donc le premier chemin de fer à utiliser la vapeur avec succès dans un objectif commercial. C'est également le premier à faire l'objet d'actes juridiques.

Le premier réseau voit le jour en Europe continentale dans la région de Saint-Étienne, en France, entre 1827 (Louis-Antoine Beaunier) et 1830 (Marc Seguin).

En Europe et en Amérique du Nord, la période de plus grand développement du chemin de fer va de 1848 à 1914. Après la Première Guerre mondiale, le chemin de fer continue à se développer, notamment les lignes secondaires à voie étroite, mais il est fortement concurrencé, sur les courtes distances, par l'automobile et le camion. Après la Seconde Guerre mondiale arrive la concurrence de l'avion sur les longues distances ; les lignes secondaires disparaissent.

La crise pétrolière de 1973 marque le début du renouveau du chemin de fer, principalement pour les transports de voyageurs à l'intérieur des grandes métropoles et grâce à de nouvelles lignes intercités, parcourues par des trains à grande vitesse.

La sustentation magnétique (dite Maglev), dont une ligne de 43 km a été mise en exploitation en 2005 à Shanghaï (Chine), pourrait devenir un concurrent viable.

Caractéristiques techniques générales

• Roulement acier sur acier : la caractéristique fondamentale du chemin de fer est le roulement acier (roue) sur acier (rail) à faible coefficient d'adhérence, qui limite très sensiblement la résistance à l'avancement, et en contrepartie augmente les distances de freinage. La faible adhérence impose aussi des contraintes de tracé des lignes pour éviter les trop fortes rampes : tracé en fond de vallées, ouvrages d'art importants (tunnels, viaducs). Les distances de freinage importantes interdisent en circulation normale la marche à vue.
• Transport guidé : c'est un transport guidé (par les rails) qui n'offre aux véhicules qu'un seul degré de liberté, en avant ou en arrière. Les changement de voie ne peuvent se faire qu'aux aiguillages, le dépassement est possible seulement en certains endroits d'une ligne (gares, évitements circulation), la formation des trains nécessite des manœuvres complexes.
• Circulation en convoi : les véhicules (wagons et voitures) ne circulent pas isolément comme sur la route, mais groupés en convoi, le train, tracté par une locomotive. Cela autorise une grande capacité de transport et limite la résistance à l'avancement. Cela impose pour la construction et les attelages des wagons et des voitures à voyageurs des normes minimum de résistance à la compression et à la traction.

Toutes ces caractéristiques induisent un système d'exploitation particulier, qui repose d'abord sur un système de signalisation strict et sur l'établissement d'un graphique de circulation. En contrepartie, elles limitent les dépenses d'énergie et procurent au chemin de fer un haut niveau de sécurité.

Infrastructures ferroviaires

Les systèmes ferroviaires nécessitent une infrastructure particulière appelée voie ferrée. Les véhicules sont guidés par une ou plusieurs files de rails fixés sur des traverses au moyen, en France, de tirefonds. Le ballast est une couche drainante sur laquelle reposent les traverses. Il permet d'affiner la géométrie de la voie, par exemple pour créer un dévers en courbe. Les véhicules étant guidés par les rails, ils ne peuvent pas changer de direction sans utiliser une installation particulière. La plupart du temps il s'agit d'un aiguillage, manoeuvré soit à pied d'oeuvre soit d'un poste d'aiguillages.

Le matériel ferroviaire, de par sa technique de roulement, ne peut pas monter ou descendre de pente trop importante, ni effectuer de courbe trop prononcée. Pour s'adapter au terrain, la construction des lignes de chemin de fer a nécessité l'établissement d'Ouvrages d'art : ponts, viaducs et tunnels. La voie peut aussi croiser la route à un passage à niveau.

La distance entre les deux rails de roulement (cas le plus fréquent) est appelée écartement. Elle est mesurée entre les faces internes du rail. L'écartement le plus communément répandu est celui de la voie normale : 1,435 m (standard UIC). Au-delà, on parle de voie large, en dessous il s'agit de voie étroite.

Certains trains sont mûs par de l'électricité et nécessitent des infrastructures spécifiques dès lors qu'ils ne fournissent pas eux-mêmes leur énergie. Dans la majorité des cas, cette alimentation en énergie se fait par une caténaire suspendue au-dessus des voies, le train venant capter le courant grâce à un pantographe ou une perche. Les métros et certains pays (Angleterre) utilisent un troisième rail latéral: le captage est alors assuré par des patins. D'autres systèmes utilisent un troisième rail central, par exemple le nouveau tramway de Bordeaux.

Dès lors que deux trains peuvent circuler en même temps sur une ligne commune, il est nécessaire d'établir des règles de circulation afin de garantir la sécurité. Comme sur route, une signalisation a été mise en place ainsi que des systèmes de prévention des risques ferroviaires. Un de ces systèmes est le cantonnement, qui interdit à un train d'entrer sur une section de ligne où se trouve déjà un autre train.

Comme tout transport en commun, les trains ne s'arrêtent pas n'importe où. Les voyageurs prennent le train dans une gare pour descendre dans une autre, parfois après avoir eu à effectuer des correspondances. Les marchandises sont chargées sur des wagons dans une gare de fret ou sur un embranchement particulier. Elles changent de direction dans des triages. Les containers sont chargés et déchargés à un terminal de transport combiné.

Les infrastructures ferroviaire nécessitent un entretien constant. Il s'agit d'opérations diversifiées, dont la nature dépend de la nature de la voie elle-même et des conditions dans lesquelles elle se trouve implantée : déneigement, Renouvellement Voie Ballast, inspection des ouvrages d'art, désherbage, etc...

Matériel roulant

Les véhicules ferroviaires sont appelés trains. Depuis la seconde moitié du XX° siècle, on a vu apparaître l'expression train à grande vitesse pour qualifier les matériels dépassant les 250km/h.

Les trains que l'on rencontre ont plusieurs structures. La première, la plus classique, est celle d'un convoi composé d'une (ou plusieurs) locomotive(s), de voitures dans le cas de trains de voyageurs ou bien de wagons. Dans le cas où la locomotive peut pousser la rame au lieu de la tirer, on dispose de voitures pilotes, dotées d'une cabine de conduite.

Les locomotives peuvent être de plusieurs types, selon leur source d'énergie. Anciennement, on trouvait des locomotives à vapeur, brûlant du charbon ou du mazout. Actuellement, on trouve surtout des locomotives diesel, mûes par un moteur thermique, ainsi que des locomotives électriques, alimentées par caténaire ou troisième rail.

Le second cas de figure est celui de convois indéformables comprenant à la fois éléments de traction et compartiments voyageurs appelés rames automotrices. Il existe en Allemagne des rames automotrices destinées aux marchandises. Une rame automotrice à traction diesel est appelée Autorail, à l'exception notable des Turbotrains. Les TGV sont des automotrices, ainsi que la plupart des trains à grande vitesse.

Pour les manœuvres ou la traction de trains légers, on a recours à des locotracteurs, électriques ou diesel. Alors qu'en France, on ne trouvera que des diesel, la Suisse dispose d'une majorité d'engins électriques.

Les services de l'entretien des voies utilisent des draisines, de petits véhicules capables de déplacer une équipe sur son chantier. On trouvera également à l'entretien des voies une grande variété de matériels spécialisés : désherbeuses, raton-laveur, bourreuses, etc.

Types de chemins de fer particuliers

Une grande variété de systèmes de transport dérivant du principe de base du chemin de fer existent. Les points communs entre ces systèmes sont le roulement fer sur fer et le guidage. Les variantes se situent au niveau de la structure et du mode d'exploitation.

En zone urbaine

Ainsi, en zone urbaine dense nécessitant une desserte intense, on a eu recours à des métros, parfois souterrains pour limiter l'espace occupé. Ailleurs, des systèmes moins lourds ont été utilisés : VAL - Skytrain.

Pour la desserte d'une métropole entière, le système du Réseau express régional est utilisé. Il s'agit de mettre en place des axes permettant de transporter d'importantes quantités de voyageurs, souvent entre banlieue et centre urbain.

Le tramway permet une desserte plus fine (des arrêts plus rapprochés) en s'insérant dans le tissu urbain. Cependant, sa capacité est bien moins élevée que celle des métros.

Techniques particulières

Par son principe de fonctionnement, un train ne peut pas gravir d'importantes déclivités. Pour compenser cela, les ingénieurs ont eu l'idée de placer un troisième axe sur lequel le convoi vient prendre appui. Il s'agit du chemin de fer à crémaillère.

Si les déclivités sont encore plus importantes, on a recours au funiculaire. La traction est alors assurée par un câble. Dans certaines villes, San Francisco par exemple, ou Paris (funiculaire de Montmartre), il existe des tramways à traction par câble. On concentre ainsi l'équipement de traction en un seul point.

Le téléphérique peut être considéré comme un « funiculaire suspendu », dont la voie est constituée par un ou plusieurs câbles porteurs fixes. Cette installation ferroviaire à part entière était d'ailleurs appelée « funiculaire aérien » à ses débuts. Le dictionnaire Flammarion de 1982 définit le téléphérique comme un « type de chemin de fer dont les véhicules circulent sur des câbles aériens faisant office de rails ».

Pour limiter l'espace occupé, certains ont pensé à des monorails. Ce système est relativement peu utilisé pour le transport de voyageurs mais commun dans l'industrie dans sa version portante (rail au plafond).

Une des pistes d'évolution du chemin de fer est le train à sustentation magnétique. Les essais de ce système sont prometteurs.

À l'inverse, d'autres expérimentations portent (ou ont porté) sur des train gravitationnels, mus par la pesanteur, à la manière des trains de parc d'attractions qui, une fois lancés, avancent grâce à leur propre inertie.

Caractéristiques économiques générales

• Transport collectif : le chemin de fer est par définition un transport collectif, dont l'exploitation et les horaires ont été dès l'origine très réglementés par l'État, pour lequel s'est imposé très vite la notion de service public. D'autre part l'influence sur l'urbanisme est important car c'est un facteur essentiel de l'aménagement du territoire.
• Monopole naturel : l'importance des investissements nécessaires pour construire le réseau ferroviaire et plus encore les lignes à grande vitesse fait de celui-ci un monopole naturel et lui donne une importance militaire stratégique.
• Transport intégré : les liens très étroits imposés par la technique entre la voie et le matériel roulant ont conduit dans la très grande majorité des cas à des entreprises ferroviaires intégrées, c'est-à-dire maîtrisant simultanément la gestion du réseau et l'exploitation des trains. La politique de libéralisation en cours dans l'Union européenne vise à ouvrir la concurrence entre les exploitants en confiant le réseau à des gestionnaires indépendants de ceux-ci. Il faut aussi assurer l'interopérabilité des réseaux.

Entreprises et réseaux

• Quelques gestionnaires de l'infrastructure
• Network Rail (Grande-Bretagne)
• Infrabel (Belgique)
• RFF (France)
• RFI (Italie)
• adif (Espagne)
• Eurotunnel (Eurotunnel gère l'infrastructure du tunnel sous la Manche et est en même temps l'exploitant des navettes pour camions et automobiles)
• Banedanmark (Danemark)
• Refer (Portugal)
• Quelques entreprises ferroviaires (exploitants)
• Europe
• CFF (Suisse)
• CFL (Luxembourg)
• Compagnie des chemins de fer russes ou OAO RJD
• Deutsche Bahn (Allemagne)
• NS (Pays-Bas)
• ÖBB (Autriche)
• Renfe, FEVE (Espagne)
• SNCF (France)
• SNCB (Belgique)
• Trenitalia (Italie)
• CP, FERTAGUS, TAKARGO RAIL (Portugal)
• Amérique du Nord
• BNSF
• Canadien National
• VIA Rail Canada
• Canadien Pacifique
• Union Pacific
• Asie
• KORAIL (Corée du Sud)
• Transport au Japon
• Shinkansen Train à grande vitesse
• Afrique
• ONCF (Maroc)
• SNTF (Algérie)

• La grande aventure des chemins de fer de Alain Frerejean, Flammarion 2008.