Dans cet article de blog, nous explorons le potentiel des espaces souterrains, qui suscitent un intérêt croissant non seulement en tant que zones de stockage traditionnelles, mais aussi en tant que stratégies pour le développement et la survie des villes futures.
Espace souterrain : jusqu’où peut-il aller ?
Pendant les cours d'arts plastiques, lorsque nous réalisions des illustrations scientifiques sous le doux soleil printanier, chacun se plongeait dans son travail pour exprimer ses idées. Mais un thème captivait immanquablement le cœur de nombreux élèves : celui des nouveaux mondes qui se dévoilent sous la mer, dans les profondeurs de la terre et dans l'espace – des mondes bien loin de la terre que nous connaissons. Dix ans plus tard, notre imagination devient réalité. Désormais, ces espaces inconnus suscitent l'intérêt, non plus seulement par curiosité, mais aussi comme des espaces alternatifs capables de pallier les conditions de survie de plus en plus difficiles à la surface, dues à la croissance démographique et à la raréfaction des ressources. En particulier, à mesure que la recherche identifie les caractéristiques uniques du sous-sol et explore ses applications, le potentiel d'exploitation de l'espace souterrain est l'un des premiers à se concrétiser.
L’exploitation des espaces souterrains est une pratique ancienne, à l’instar de la tradition d’enfouir les aliments pour les conserver. Cependant, ce n’est que récemment que la profondeur des fouilles a augmenté et que l’éventail des applications potentielles s’est considérablement élargi, grâce à l’accumulation des connaissances et des technologies. Examinons, à travers des exemples concrets, les caractéristiques des espaces souterrains et le processus d’application des techniques de génie civil en roche.
Histoire et état actuel de l'utilisation de l'espace souterrain
Les espaces souterrains ne se limitent plus à leur simple fonction de stockage ; leurs usages s’étendent désormais aux applications résidentielles et industrielles. De fait, l’histoire de l’utilisation des espaces souterrains est très ancienne. Les hommes préhistoriques utilisaient les grottes pour conserver leurs aliments et construisaient des temples souterrains pour les cérémonies religieuses. Par exemple, la cité souterraine de Derinkuyu, en Turquie, est une immense ville souterraine construite dans l’Antiquité pour servir de refuge en cas de guerre et de menaces extérieures. Cette ville comprend des quartiers d’habitation, des réserves alimentaires et des installations de stockage d’eau pouvant accueillir jusqu’à 20 000 personnes, ce qui en fait un exemple remarquable de l’utilisation des espaces souterrains dans la vie humaine.
Aujourd'hui, l'utilisation de ces espaces souterrains se sophistique. À Tokyo, le métro, mais aussi les centres commerciaux et les complexes culturels à usage mixte sont situés en sous-sol. Cette approche suscite un intérêt croissant en tant que solution alternative à la flambée des prix fonciers et à la densification des centres-villes, et l'exploitation efficace de l'espace souterrain s'impose comme une stratégie clé pour un développement urbain durable. Par ailleurs, Singapour poursuit l'expansion de son réseau souterrain et s'efforce d'y déplacer des infrastructures telles que les réseaux électriques, de télécommunications et logistiques. Cette solution permet de pallier le manque d'espace tout en optimisant l'efficacité urbaine.
Exemples d'utilisation de l'espace souterrain
Les espaces souterrains peuvent accueillir diverses installations, notamment résidentielles, industrielles et logistiques, et leur profondeur d'utilisation varie selon leur usage. Les bâtiments résidentiels et culturels sont généralement construits dans les couches les moins profondes, à moins de 50 mètres sous terre, le Jovik Olympic Mountain Hall en Norvège en étant un parfait exemple. Plus grande salle souterraine du monde, elle a été construite sur neuf étages en prévision des Jeux olympiques d'hiver de 1994. Le choix de construire sous terre était principalement motivé par les caractéristiques avantageuses de ce milieu, qui maintient une température constante tout au long de l'année. La capacité thermique du sol n'étant que de 1/5 à 1/10 de celle de la surface, le transfert de chaleur est plus lent. Comme les structures sont peu affectées par les variations saisonnières une fois enterrées à seulement 5 mètres de profondeur, la consommation d'énergie est réduite, ce qui diminue les coûts d'entretien. Cependant, la profondeur de construction est limitée par la nécessité d'installer des systèmes d'éclairage et de ventilation naturels.
La zone destinée à la construction du Palais olympique de montagne de Yovik était constituée d'une formation de gneiss. Le gneiss est une roche métamorphique formée sous l'effet de fortes chaleurs et pressions, ce qui en fait un substrat idéal grâce à sa grande résistance. Toutefois, le recours simultané à des mesures précises et à des simulations était indispensable. Des échantillons ont été prélevés sur place afin de mesurer les propriétés physiques intrinsèques de la roche, et une modélisation informatique a permis de prédire le comportement du substratum rocheux. Sur cette base, les points et la séquence de tir de mines ont été déterminés. Dès le début des travaux, des capteurs de pression ont été utilisés pour surveiller le comportement de la roche autour de la zone d'excavation et s'assurer que l'affaissement du sol restait dans les limites prévues. Le forage du sol à l'explosif générant de fortes ondes de choc susceptibles d'affecter la stabilité des structures avoisinantes, l'intensité de ces ondes a également dû être contrôlée en temps réel.
Applications industrielles à 500 mètres sous terre
Poussons la profondeur à 500 mètres sous terre. À cette profondeur, diverses installations industrielles peuvent être construites pour le traitement des eaux usées, le stockage de denrées alimentaires et de pétrole ; le site de stockage des déchets nucléaires de faible et moyenne activité actuellement en construction dans la région de Wolseong, à Gyeongju, en est un exemple. Les espaces souterrains sont considérés comme la meilleure option pour l’isolement semi-permanent des déchets nucléaires qui émettent des radiations en continu. En effet, ils sont non seulement à l’abri des agressions extérieures, mais ils bloquent également efficacement les radiations. Les structures enfouies dans la roche-mère peuvent être soutenues par les couches rocheuses environnantes et, même lors d’un séisme, elles vibrent avec le sol, subissant ainsi moins de dommages que les structures en surface qui résistent aux mouvements par inertie. De plus, le mouvement des matières radioactives est plus lent sous terre que dans l’atmosphère et, comme la plupart sont ralenties ou absorbées lors de leur passage à travers la roche-mère, la probabilité qu’elles atteignent la surface est très faible.
Cependant, contrairement au complexe olympique de montagne de Yovik, les strates entourant le site de stockage des déchets radioactifs de Gyeongju présentent la faiblesse d'être composées de roches sédimentaires. Formées de couches de minéraux transportées par l'eau et le vent, les roches sédimentaires comportent de nombreux vides entre leurs particules constitutives, ce qui leur confère une faible résistance. Soumises à des impacts extérieurs répétés, ces particules peuvent se réorganiser à l'intérieur de ces vides, engendrant un risque d'affaissement. Diverses méthodes de construction ont été mises en œuvre pour pallier la fragilité inhérente des roches sédimentaires, et le renforcement artificiel – qui consiste à injecter un matériau liant à haute pression le long des bords de la cavité – en est une. L'injection à haute pression de ce matériau remplit les vides de la roche, assurant un support stable à la partie supérieure de la cavité. En alternant tirs de mines et injections de matériau liant, il devient possible de creuser de longs tunnels, même dans des terrains instables.
Agrandir l'espace souterrain pour l'avenir
L'exploitation de l'espace souterrain peut s'étendre jusqu'à 1 000 mètres de profondeur pour des applications telles que l'extraction d'énergie géothermique et le stockage de déchets nucléaires de haute activité. Cependant, l'augmentation de la profondeur n'est qu'un aspect de cette expansion. Parmi les nombreux projets actuellement en phase de planification, on peut citer les tunnels sous-marins destinés à relier de petites îles proches de la côte sud-ouest afin d'améliorer les transports insulaires, ainsi que les tunnels sous-marins internationaux de plus grande envergure qui permettraient de réduire les coûts et les temps de transport des passagers et de la logistique. Par ailleurs, les trains circulant dans des tunnels sous vide – qui optimisent la vitesse et le confort en minimisant la résistance de l'air et le frottement des rails – et les bases d'exploration lunaire aménagées dans des tunnels de lave, conçues pour résister aux conditions climatiques extrêmes de la Lune, suscitent également un vif intérêt. Ces exemples illustrent le potentiel illimité de l'expansion horizontale vers les fonds marins et l'espace, à travers le substratum rocheux.
Alors que des technologies et des idées autrefois confinées à notre imagination se concrétisent, nous ne sommes plus prisonniers de celle-ci, mais repoussons sans cesse nos limites. Nous avons hâte de voir comment de nouveaux horizons, notamment les espaces souterrains, offriront à l'humanité encore plus de possibilités à l'avenir.
