Nouveau pont pour le Saint-Laurent - Revue du concept proposé par M. René Therrien pour le remplacement du pont Champlain

Note     ARUP
Destinataire Transports Canada
Date 4 janvier 2013
Copies PricewaterhouseCoopers
Numéro de référence 226418
Expéditeur Arup
Référence de dossier Notes 4-05
Objet Revue du concept proposé par M. René Therrien pour le remplacement du pont Champlain

Introduction

La présente note fournit une évaluation de l'option de remplacement du pont Champlain proposée par M. René Therrien (le Concept Therrien) dans le cadre du projet du Nouveau pont pour le Saint-Laurent (NPSL).

La note qui suit examine le Concept Therrien plus en détail, passe en revue ses objectifs et l'évalue à la lumière du contexte global.

Le Concept Therrien

Comme alternative au remplacement du pont Champlain, M. René Therrien a proposé un concept par étapes qui tente de maximiser l'utilisation de la vie résiduelle des différents éléments structuraux existants. Cette approche étale les dépenses de construction totales sur une plus longue période et les compense tout en utilisant la valeur inhérente des investissements antérieurs dans l'infrastructure existante. L'approche globale consiste à répondre aux besoins immédiats et à long terme tout en élargissant puis reconstruisant la superstructure originale par étapes.

Les options proposées pour le NPSL dans l'étude de préfaisabilité, ainsi que les options additionnelles en développement par Arup, sont basées sur la construction d'un pont complètement neuf séparé du pont existant au nord de ce dernier, le détournement de la circulation et des transports en commun vers la nouvelle structure, puis la démolition de la structure existante. La structure de remplacement doit offrir une durée de vie de 125 ans et sera choisie principalement parce qu'elle permet de réduire au minimum les coûts de cycle de vie programmés tout en constituant un concept esthétiquement approprié. De plus, des voies réservées aux transports en commun offrant la possibilité d'un système de service rapide par bus (SRB) ou de service guidé sur rail (SGR) sont requises. La raison d'un remplacement total est basée sur la nécessité d'aborder le problème de la détérioration rapide de la structure existante ainsi que des perturbations et des coûts élevés liés aux exigences d'entretien connexes.

Le pont existant est principalement composé de travées d'approche à poutres de béton précontraint et de travées principales à fermes d'acier enjambant la Voie maritime du Saint-Laurent. Les travées à poutres de béton sont dans un état avancé de détérioration en raison d'un manquement au niveau de la qualité de construction et des détails de conception originaux médiocres, associés à une période prolongée de pauvres conditions de drainage dans un environnement très chargé en chlorures. Ces travées d'approche ont fait l'objet de travaux correctifs majeurs incluant la précontrainte par post-tension externe rectiligne sur toutes les poutres extérieures de chaque travée et le renforcement supplémentaire par arbalètes (« queen-post ») et torons déviés sur certaines poutres extérieures de travées sélectives. Les fermes d'acier des travées principales ont également fait l'objet de travaux de réhabilitation importants incluant un remplacement du tablier orthotrope en acier léger et diverses modifications structurales requises pour corriger les lacunes. De plus, les huit piles de la travée principale ne sont pas capables de résister aux charges de tremblement de terre et il semble y avoir des enjeux par rapport à la résistance aux charges de vent longitudinales. Aussi, il est connu que le béton au cœur des piles est déficient en termes de capacité et de qualité. Un examen approfondi de l'état existant du pont Champlain dans la perspective des projets de réhabilitation potentiels a été entrepris par Delcan et résumé dans leur rapport « Assessment of the Champlain Bridge » daté de mars 2011. Afin de considérer des scénarios de réhabilitation potentiels, Delcan a produit un rapport complémentaire, "The Future of the Champlain Bridge", aussi daté de mars 2011. Si le premier rapport note la détérioration importante et les travaux coûteux requis, le rapport complémentaire mentionne également que les réparations aux fermes d'acier pourraient être effectuées de façon efficiente en l'absence de circulation et mèneraient à une durée de vie restante de 50 ans.

En raison de l'utilité relative possible des fermes d'acier par opposition à l'état de détérioration rapide irréversible des travées d'approche, le rapport Delcan a suggéré une option consistant à maintenir les travées à fermes existantes pendant environ 50 ans et à les combiner à de nouvelles travées d'approche. M. René Therrien a élaboré le plan de remplacement par étapes suivant, compatible avec la suggestion de Delcan.

Étape 1

Au cours de la première phase de la construction, toute la circulation est maintenue sur le pont existant pendant que de nouvelles travées indépendantes sont construites de part et d'autre du pont existant. De nouvelles piles sont construites près des piles existantes de chaque côté sur la pleine longueur des travées existantes. Chaque nouvelle superstructure de tablier utilise trois poutres caissons trapézoïdales en acier et peut recevoir trois voies de circulation. De nouvelles poutres de soutien extérieures sont ajoutées aux travées d'approche existantes et les nouvelles piles et sections de tablier sont reliées ensemble de manière à procurer une capacité et une vie résiduelle additionnelles aux travées existantes. De la même manière, les travées principales à fermes d'acier et les piles sont élargies et renforcées de façon à offrir une capacité additionnelle. La section transversale de la phase 1 terminée pour les travées d'approche est montrée à la figure 1 ci-dessous.

La proposition prévoit une période de deux ans pour l'achèvement de tous les travaux requis en vue de la construction de la première phase tout en maintenant la circulation sur les travées existantes.

Figure 1 : Étape 1 du Concept Therrien

Figure 1 : Étape 1 du Concept Therrien

Description longue - Figure 1 : Étape 1

Étape 2

La deuxième phase consiste à déplacer la circulation vers les nouvelles travées extérieures réalisées à l'étape 1, à effectuer les travaux de réhabilitation et de renforcement des travées d'approche et à fermes existantes, puis à rétablir la circulation des véhicules autres que les camions sur deux voies de la structure existante dans chaque direction. Une section transversale des travées d'approche de l'étape 2 terminée est montrée à la figure 2.

Figure 2 : Étape 2 du Concept Therrien

Figure 2 : Étape 2 du Concept Therrien

Description longue - Figure 2 : Étape 2

La proposition prévoit une période de construction de deux ans allant de la fin de l'étape 1 à l'achèvement de l'étape 2.

Étape 3

La section transversale et les modes de circulation de l'étape 2 seraient maintenus jusqu'en 2030, environ, après quoi la circulation sur la portion existante de la section transversale de l'étape 2 serait interrompue pour permettre la démolition et la reconstruction du pont existant. La portion centrale reconstruite serait réservée au système SGR proposé de l'Agence métropolitaine de transport (AMT) et accueillerait une voie dans chaque direction destinée aux véhicules autres que des camions pour l'accès à l'autoroute 15 seulement. Les travées d'approche seraient reconstruites au moyen de poutres caissons trapézoïdales en acier coïncidant avec les portions élargies construites précédemment et seraient supportées sur des poutres d'acier s'étendant entre les piles construites pour les portions élargies. Une section transversale des travées d'approche de l'étape 3 terminée est montrée à la figure 3.

La démolition et la reconstruction de la portion centrale « existante » du pont devraient prendre quatre ans, avec l'achèvement de la dernière section transversale avec SGR d'ici 2034.

Figure 3 : Étape 3 du Concept Therrien

Figure 3 : Étape 3 du Concept Therrien

Description longue - Figure 3 : Étape 3

Résumé de conception

Le Concept Therrien prévoit de multiples étapes de construction visant essentiellement la reconstruction des travées existantes tout en transférant la circulation des portions existantes aux portions nouvellement construites. La section transversale finale offre une largeur de tablier considérablement supérieure aux exigences tout en nécessitant une réduction de la capacité (circulation et transport en commun, comparativement à ce qui est offert pendant plusieurs années sauf à l'étape 2) pendant les quatre années de la période de construction de l'étape 3.

Analyse du Concept Therrien

Comme l'a noté M. René Therrien, le concept mis de l'avant par ce dernier pour le pont Champlain a été élaboré dans le but de fournir une solution de rechange qui :

  1. envisage l'utilisation de portions existantes du pont dans le cadre de la solution;
  2. fournit la solution de rechange au coût le plus bas étalé sur une plus longue période;
  3. satisfait aux besoins immédiats grâce à l'échéancier le plus rapide;
  4. satisfait aux besoins à long terme au budget approprié;
  5. répond aux besoins et assure la sécurité des utilisateurs;
  6. permet un usage sensé de l'infrastructure.

L'élaboration d'un concept qui maximise la vie résiduelle et la valeur financière des travées à fermes existantes, lorsqu'il est rentable de procéder de la sorte, est un exercice noble et justifie certainement considération tel que fourni ci-dessous. Ce concept est donc examiné tant sur son propre mérite indépendamment des projets de remplacement total que dans le cadre du processus d'examen préalable de l'ensemble des options.

Évaluation indépendante

Pour ce qui est de son mérite propre, le Concept Therrien présente des lacunes majeures. Si le rapport Delcan mentionnait que les réparations visant à fournir une vie résiduelle de 50 ans pouvaient être rentables si le pont était interdit à la circulation pendant les travaux, le processus requis pour y parvenir n'est pas pratique. La conception par étapes et la méthodologie requises en vue de la réutilisation des travées principales sont raisonnables, mais ne sont pas une proposition sensée du point de vue des besoins d'ensemble du projet. À la place, il semble que la préservation des fermes soit la motivation première du Concept Therrien au lieu d'être un élément d'un projet viable de remplacement du pont. Les lacunes majeures de la proposition sont résumées dans les sections ci-dessous.

Limitations techniques

Il ne fait aucun doute que les travées d'approche à poutres en béton précontraint doivent être remplacées de façon urgente. La détérioration et la corrosion continues et sans fin des câbles de post-tension à un rythme exponentiel, y compris évidence de câbles déjà sectionnés dans les poutres et le tablier hautement intégré, nécessite une solution qui remplace ces éléments à la première opportunité. Les plans visant à prolonger la vie utile de ces travées en fonction d'une progression par étapes présentant de grands risques et de nombreux problèmes techniques. La fabrication de 100 poutres additionnelles pour un soutien provisoire est aussi un investissement important pour des mesures temporaires. L'installation de nouvelles poutres de rive extérieures pour compenser la détérioration rapide des poutres extérieures existantes sera aussi difficile à intégrer compte tenu de l'état des structures existantes et de la circulation. La charge vive est d'environ un quart de la charge totale seulement, les charges restantes étant reliées au système structural existant. Il sera difficile d'élaborer une méthodologie détaillée en vue de l'intégration des nouvelles poutres pour un transfert partiel des charges en particulier en raison de la post-tension externe, des étriers et du système d'arbalètes (« queen-post ») aux poutres extérieures, et de la post-tension transversale du système de poutres existant. Même si une conception efficace à faible risque est mise au point, les poutres ajoutées offriront seulement un avantage marginal par rapport à l'intégrité globale de la superstructure qui se détériore rapidement. Les travées d'approche exigeront des travaux importants, complexes et à haut risque en vue de leur maintien en service jusqu'en 2030. Maintenir la même disposition des travées tout en élargissant de chaque côté du tracé existant crée un conflit avec la route 132 (sur la Rive-Sud) et avec le boulevard René-Lévesque sur l'Île des Sœurs, problème pour lequel les solutions et le travail par étapes sont encore une fois limités et complexes.

Si les fermes d'acier existantes sont en relativement meilleur état que les travées d'approche à poutres de béton précontraint, elles sont ne sont pas sans problèmes. En raison de la capacité portante limitée du système de fermes existant, le remplacement du tablier orthotrope en acier léger a été effectué en 1992. La capacité structurale a limité les améliorations souhaitées de la capacité de la chaussée dans le passé. En outre, les piles existantes ne peuvent résister aux tremblements de terre et ne sont pas considérées comme étant en bon état pour la durée de vie souhaitée du nouveau projet. Les limitations structurales des systèmes de fermes empêcheront certainement tout élargissement relié au système structural existant.

Le concept proposé requiert la conservation des huit piles existantes des travées principales pour les prochains 135 ans et leur renforcement pour contrer aux déficiences notées. Malheureusement, les piles existantes sont déficientes en termes de résistance aux charges de tremblements de terre et pourraient être déficientes en termes de résistance aux vents dans le sens longitudinal. Donc, afin de répondre aux exigences de capacité de fondation, les travaux de renforcement à cet égard nécessiteront une réfection excessive des piles avec un montant substantiel de travaux de fondation dans l'eau. Étant donné la faible capacité et l'intégrité questionnable du béton au cœur des piles existantes, on ne peut s'attendre à aucune augmentation additionnelle de la vie utile de service. Les réparations exhaustives nécessaires aux piles et aux fondations, combinées au béton questionnable au cœur des piles, nous mèneraient aussi à considérer cet aspect du plan à être inutile.

Basé sur les informations disponibles, les travées à fermes d'acier présentent un niveau d'intégrité raisonnable compte tenu de leur âge et des plans de remplacement du corridor du pont. Le manque de capacité et de fonctionnalité ne justifie toutefois pas un investissement additionnel.

Établissement des coûts

De manière générale, le Concept Therrien implique de nombreuses étapes de construction, l'interface avec la structure existante et un investissement important dans des travaux correctifs menant à une section transversale finale dépassant de beaucoup les besoins. Les longueurs de travée seraient les plus inefficientes de tous les scénarios de remplacement considérés, se soldant par un plus grand nombre de piles, d'appuis et de joints qu'il n'est raisonnablement nécessaire compte tenu de la technologie pour travées moyennes actuelle. Les nombreuses étapes de construction mèneront à des coûts d'administration prolongés et des coûts de gestion de la circulation et limiteront la possibilité de méthodes d'approvisionnement privilégiées. En général, l'étendue actuelle des travaux intérimaires et de renforcement est inconnue et le risque pour l'entrepreneur est trop élevé pour qu'Arup soit assez confiant pour réaliser une analyse des coûts indépendante. Il y a aussi des coûts additionnels qui n'ont pas été considérés, notamment les travaux de remplacement du tablier des travées principales d'ici environ 30 ans. De plus, le risque de développement de fissures de fatigue dans les assemblages boulonnés et rivetés (à cause des chargements cycliques élevés), dans les soudures de plusieurs éléments de contreventement secondaires et dans les boulons critiques des travées en porte-à-faux, nécessiterait de sérieuses considérations.

Si les coûts en capital sont échelonnés sur une plus longue période, une inefficacité globale est inhérente à cette approche et en fin de compte, seule la valeur actuelle nette des coûts du cycle de vie total devrait être prise en considération dans l'évaluation des solutions de rechange. Si des fonds importants ont été investis pour amener les travées à fermes d'acier à leur état actuel d'intégrité, des investissements additionnels visant à augmenter les avantages procurés ne sont pas bien avisés. Il est de notre opinion qu'à la lumière de la discussion ci-dessus, le Concept Therrien ne peut être le plus économique et que sur le cycle de vie de la structure, serait une mauvaise stratégie d'investissement.

Besoins et sécurité des utilisateurs

En fin de compte, les utilisateurs requièrent la construction d'un nouveau pont de section transversale appropriée (à présent, la configuration privilégiée est six voies + transport en commun + piste cyclable) le plus rapidement possible, au plus bas coût du cycle de vie total et pour une incidence minimale sur la circulation existante.

Rien ne permet raisonnablement de croire que la première étape du Concept Therrien pourrait être construite plus rapidement que la plupart des autres options de nouveau pont complètement séparé. Il est difficile d'imaginer comment le travail requis à l'interface avec la structure existante pourrait être effectué sans une certaine perturbation de la circulation du point de vue des réductions de capacité et du risque pour la sécurité. Des déflections importantes des poutres de rive sont observées lors du passage de camions, ce qui rend la connexion aux poutres de rive difficile sans la mise en place de mesures temporaires pour réduire les charges vives. Étant donné que la section transversale a déjà été maximisée en fonction de la capacité et offre un niveau de service faible durant les périodes de pointe, il y aura des étapes lors desquelles les travaux d'enlèvement aux abords du tablier existant mèneront vers une augmentation additionnelle de la congestion sur le pont. La démolition par étapes de composants proches de la circulation ajoute à la complexité et aux risques pour la sécurité liés à ce concept.

L'approche par étapes mène également à des niveaux variables de service, dont la mise hors service de voies ajoutées (comparativement aux conditions en 2013) pour une période de quatre ans entre les étapes 2 et 3. Les voies passeraient de dix à six. L'excédent initial de voies entraînera des itinéraires inefficaces et un accaparement par des tiers menant à des problèmes de circulation et d'acceptation publique importants une fois la capacité additionnelle supprimée. La section transversale finale crée également un excédent de voies et de largeur totale du tablier. La largeur additionnelle du tablier n'est pas seulement coûteuse (en termes de coûts initiaux et d'entretien), elle nuit à l'optimisation des tracés et à la viabilité du transport en commun. En outre, un système de transport en commun cohérent de type SRB ou SGR n'est pas possible avant 2034. Ce délai, conjointement avec un excès de voies de circulation pour les voitures sera nuisible à l'encouragement d'utiliser les transports en commun.  Considérant que l'étude de préfaisabilité a identifié un besoin pour un système de transports en commun moderne une exigence clé de tous les intervenants, il serait socialement inacceptable de retarder et renoncer au succès d'un tel plan de transport collectif.

Le Concept Therrien n'offre pas de réelles améliorations de l'échéancier. Il ajoute à la complexité, aux risques et aux répercussions importantes pour les usagers par rapport à n'importe laquelle des options de remplacement complet du pont Champlain.

Évaluation dans le cadre de l'examen préalable des options

Les options considérées ont été évaluées par rapport aux critères suivants :

  1. Construction — durée, coûts, complexité et interface avec la Voie maritime
  2. Exploitation et entretien — coûts, niveau d'inspection et d'entretien, et existence d'un service SRB/SGR
  3. Incidence sur les utilisateurs, la faune et la collectivité — esthétique, perturbations dues à l'entretien et incidence sur l'environnement

Une discussion de l'évaluation du Concept Therrien dans le contexte de toutes les options pour les critères ci-dessus est fournie dans les sections qui suivent.

Construction

La construction de travées à poutres répétitive est simple et généralement considérée comme la plus facile et efficiente. Le Concept Therrien serait considéré comme favorable dans ce contexte, mais comme nous l'avons mentionné précédemment, les étapes multiples de construction avec des interfaces complexes avec la structure en état de détérioration existante et la circulation présentent un risque important. En outre, les longueurs de travée plus courtes et moins efficientes du Concept Therrien augmentent le volume d'activités répétitives par rapport aux autres options similaires.

Les travées plus longues et importantes au-dessus de la Voie maritime présenteront un niveau ajouté de complexité et le Concept Therrien permet une certaine souplesse dans le type de structure. La nécessité de construire et de déconstruire près des structures et de la circulation existantes ou en jonction avec celles-ci ajoutera de la complexité et des risques à la mise en œuvre en vertu de l'approche par étapes du Concept Therrien. Certainement, cette contrainte et cette durée ajoutées du programme de construction mèneront aux incidences ou aux limitations les plus importantes imposées par les activités de la Voie maritime.

Comme nous l'avons mentionné précédemment, cette option n'est simplement pas une solution à plus bas coût. En outre, la répartition inefficiente des coûts en capital entre les étapes de construction et au chapitre du renforcement provisoire par rapport à l'infrastructure finale sont contraires aux exigences du projet et à l'intention originelle de ce concept.

Ainsi, du point de vue des questions de construction, cette option ne peut pas être considérée aussi favorablement que nombre d'autres et est celle qui est susceptible de présenter les plus grands risques.

Exploitation et entretien

Comme les coûts d'exploitation et d'entretien ont tendance à être directement liés au coût en capital initial, le Concept Therrien ne serait pas le moins coûteux par rapport à d'autres options du type poutres. Les portées plus courtes et nombreuses, et moins efficientes mèneront à plus de joints, d'appuis et de piles à entretenir. Aspect plus important, l'approche de remplacement par étapes entraînera une quantité importante d'entretien provisoire jusqu'en 2034 et est celle qui présente le plus d'interruptions pour la circulation.

Le Concept Therrien ne tient pas compte des exigences de planification des transports en commun pour ce projet. Les exigences requièrent que le NPSL permette des voies réservées pour un SRB ou SGR. Si une voie réservée SRB peut être fournie par la section transversale provisoire de l'étape 2, les véhicules de transport en commun devront revenir à une voie unique à contresens pendant les quatre années de la période de construction entre les étapes 2 et 3. L'effet sur le transport en commun sera significatif et probablement inacceptable à ce moment. De plus, afin de bénéficier du report des dépenses de construction,  il n'existe aucune possibilité de SGR avant 2034, ce qui est complètement contraire aux exigences du projet.

Incidence sur les utilisateurs, la faune et la collectivité

Du point de vue d'une évaluation environnementale, toutes les options sont essentiellement similaires en ce qu'un nouveau pont d'une section déterminée offrant des possibilités de services de transport en commun sera fourni, et que les structures existantes sont entièrement récupérables et recyclables. Le Concept Therrien a pour désavantage additionnel de procurer une capacité routière excessive au détriment de la demande de transport en commun en plus de reporter à 2034 une solution de transport en commun pleinement intégrée.

Compte tenu de l'ensemble des solutions, l'incidence environnementale principale est liée à l'activité de construction dans l'eau et à son impact sur l'habitat du poisson. En outre, comme toutes les options incluront des fondations sur le substrat rocheux au moyen de batardeaux ou de caissons, l'étendue de l'impact environnemental dépendra vraiment de l'empreinte des piles dans le fleuve. Le Concept Therrien est celui qui inclut le plus grand nombre de piles et la plus grande empreinte par rapport à toutes les autres solutions.

En conséquence, le Concept Therrien est celui qui a le plus grand impact environnemental dans le fleuve. Il est particulièrement inefficient et dommageable en raison de sa section finale excessive et des limitations imposées aux initiatives de transport en commun.

De plus, pour les travées principales, il pourrait être plus difficile de développer des solutions plus esthétiquement plaisantes et économiques tout en devant développer autour d'une structure d'acier existante.

Résumé

Pour conclure, le concept proposé par M. René Therrien pour le pont Champlain n'atteint pas les objectifs globaux du projet du NPSL et n'est pas une solution viable pour le NPSL. Arup recommande que cette option ne soit pas considérée davantage.

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