Tunnelier : comment ces machines géantes creusent réellement des tunnels sous terre

Qu’est-ce qu’un tunnelier et pourquoi les utilisons-nous ?

Un tunnelier – communément abrégé en TBM et parfois appelé tunnelier ou tunnelier souterrain – est un équipement d'ingénierie massif conçu pour creuser des tunnels dans le sol, la roche ou des sols mixtes avec une section transversale circulaire. Contrairement à l'ancienne méthode de forage et de dynamitage, qui fracturait la roche à l'aide d'explosifs puis dégageait manuellement les débris, un tunnelier coupe, creuse et tapisse souvent simultanément le tunnel en une seule opération continue. Le résultat est un tunnel plus lisse et plus cohérent sur le plan structurel, produit avec beaucoup moins de perturbations des infrastructures environnantes au sol et en surface.

L’attrait des tunneliers au tunnelier va bien au-delà de la vitesse. Dans les environnements urbains – où un tunnel peut passer sous des quartiers densément bâtis, des lignes de métro sous tension ou des services publics critiques – l’excavation contrôlée et à faibles vibrations d’un tunnelier est souvent la seule option viable. Le dynamitage conventionnel provoquerait un tassement inacceptable de la surface et des dommages structurels aux bâtiments voisins. Les tunneliers peuvent également fonctionner à des profondeurs beaucoup plus grandes que les méthodes de construction en tranchée couverte, permettant aux ingénieurs de tracer des tunnels selon des trajectoires droites et optimales sans détruire le paysage de rue au-dessus. Ces avantages ont fait du tunnelier la technologie dominante pour les systèmes de métro, les tunnels routiers, les tunnels d'approvisionnement en eau et d'égouts et, de plus en plus, les couloirs de câbles et de services publics dans les villes du monde entier.

Les tunneliers modernes constituent en soi des prouesses techniques extraordinaires. Les plus grands tunneliers du monde ont des têtes de coupe dépassant 17 mètres de diamètre – plus larges que la hauteur d'un bâtiment de quatre étages – et pèsent plus de 7 000 tonnes. Même un tunnelier de taille moyenne utilisé pour un tunnel de métro standard (généralement de 6 à 9 mètres de diamètre) est assemblé à partir de centaines de composants de précision expédiés sur le chantier et assemblés sous terre dans le puits de lancement. Les machines intègrent l'excavation de la terre, l'enlèvement des déblais, le soutènement et l'installation du revêtement en béton dans une seule ligne de production mobile qui avance de 10 à 30 mètres par jour en fonction des conditions du sol et du type de machine.

Comment fonctionne réellement un tunnelier : la mécanique de base

Comprendre le fonctionnement d'un tunnelier nécessite d'examiner ses principaux systèmes de travail, chacun jouant un rôle critique et interdépendant dans le processus de creusement du tunnel. Bien que différents types de tunneliers gèrent différemment le soutènement du sol et l'élimination des déblais (abordés dans la section suivante), les mécanismes fondamentaux de coupe et d'avancement sont partagés dans la plupart des familles de machines.

La tête de coupe

La tête de coupe est la partie commerciale de tout tunnelier — une structure massive à disque rotatif ou à rayons parsemée d'outils de coupe qui entre directement en contact avec le sol en cours d'excavation. Dans le creusement de tunnels rocheux, la tête de coupe porte des disques de coupe : des roues en acier trempé, généralement de 432 à 483 mm (17 à 19 pouces) de diamètre, qui roulent contre la paroi rocheuse sous l'effet d'une énorme force de poussée. Les coupe-disques ne grattent pas la roche ; au lieu de cela, ils l'écrasent sous l'effet d'une charge de compression, créant un réseau de micro-fractures entre les pistes de coupe adjacentes qui provoquent la libération des éclats de roche. Ce processus de génération de copeaux, appelé mécanisme « copeaux et fissures », est bien plus économe en énergie que l'abrasion directe et c'est ce qui rend le tunnelier viable dans la roche dure. Dans des conditions de sol mou et mixtes, la tête de coupe transporte des mèches de traînage, des grattoirs et des dents de coupe du sol qui cisaillent et délogent le matériau plutôt que de l'écraser.

La tête de coupe est entraînée en rotation par un ensemble de moteurs d'entraînement électriques – généralement entre 4 et 20 moteurs selon la taille de la machine – disposés autour de sa circonférence et reliés par des réducteurs. La vitesse de rotation est généralement lente : 1 à 6 tr/min pour les grandes machines, car le bord extérieur d'une grande tête de coupe se déplace déjà à une vitesse linéaire élevée, même à des tr/min très bas. La puissance totale d'entraînement de la tête de coupe installée sur un grand tunnelier en roche dure peut dépasser 5 000 kW, soit à peu près la même chose que six moteurs de Formule 1 fonctionnant simultanément, mais appliquée sous forme de couple de rotation lent plutôt que de vitesse.

Systèmes de poussée et de préhension

La rotation de la tête de coupe à elle seule ne permet pas de creuser un tunnel : la machine doit également pousser la tête de coupe dans la paroi rocheuse avec une force énorme pour que les disques de coupe soient efficaces. Ceci est accompli grâce à un système de vérins de poussée hydrauliques disposés autour du corps principal de la machine. Les forces de poussée totales sur un grand tunnelier rocheux varient généralement de 20 000 à 60 000 kN, ce qui équivaut au poids de 2 000 à 6 000 tonnes métriques appuyant contre la face du tunnel. Pour pousser, la machine a besoin de quelque chose sur quoi pousser. Dans les tunneliers en roche dure, cela est assuré par des patins de préhension : de grands vérins hydrauliques qui s'étendent latéralement à partir du corps de la machine et s'appuient contre les parois du tunnel avec suffisamment de force pour ancrer fermement la machine en place tandis que les vérins de poussée font avancer la tête de coupe. Une fois que la machine a avancé d'une longueur de course (généralement de 1,5 à 2 mètres), les pinces se relâchent, l'arrière de la machine est tiré vers l'avant, les pinces se réengagent dans la nouvelle position et la course de poussée suivante commence. Cette séquence se répète continuellement tout au long de l’opération de creusement du tunnel.

Enlèvement des déblais (manipulation des déblais)

Le matériau coupé de la face du tunnel – appelé « déblais » dans la terminologie des tunnels – doit être continuellement retiré de la tête de coupe et transporté vers la surface. Dans la plupart des tunneliers, les déblais tombent dans les ouvertures de la tête de coupe et sont ramassés par un convoyeur à bande passant au centre de la machine. Ce convoyeur principal transfère les déblais vers une série de convoyeurs arrière ou vers des wagons à déblais sur rails qui les ramènent à travers le tunnel jusqu'au puits de lancement, où ils sont remontés à la surface et transportés. En moyenne, un tunnelier métropolitain de taille moyenne creusant dans un sol mixte produit 300 à 600 mètres cubes de déblais par jour – un défi logistique important qui nécessite une opération d'élimination en surface bien planifiée et parallèle au creusement du tunnel.

Installation du revêtement du tunnel

Immédiatement derrière la tête de coupe, la plupart des tunneliers modernes installent un revêtement de tunnel permanent à mesure que la machine avance. L'approche standard utilise des segments en béton préfabriqué - généralement six à huit segments incurvés par anneau, plus un segment "clé" plus petit - qui sont soulevés en position par un bras érecteur de segment automatisé et boulonnés ou joints ensemble pour former un anneau complet. Chaque anneau est installé dans l'espace créé par la dernière course de poussée de la machine et, à mesure que la machine avance vers la course suivante, l'anneau terminé devient l'enveloppe structurelle du tunnel permanent. Cette installation de revêtement intégrée constitue l'un des plus grands avantages d'efficacité du tunnelier : le tunnel est pratiquement terminé derrière la machine à mesure qu'elle avance, ce qui nécessite un minimum de travaux de suivi.

Les principaux types de tunneliers et quand chacun est utilisé

La sélection d'un type de tunnelier est l'une des décisions techniques les plus critiques dans tout projet de tunnel. Un type de machine inapproprié pour les conditions du sol rencontrées peut entraîner une progression lente, des dommages à la machine, un tassement du sol ou, dans les cas graves, un effondrement du tunnel. Les grandes familles de tunneliers se distinguent principalement par la manière dont elles gèrent le terrain en amont de la tête de coupe et contrôlent la pression de la nappe phréatique :

Tunnelier à face ouverte (Gripper) – Idéal pour le Hard Rock

Le tunnelier à face ouverte ou à pince est la conception originale du tunnelier et reste la machine de choix pour les conditions de roches dures stables où la face du tunnel est autoportante et la pression des eaux souterraines est gérable. Comme son nom l'indique, le front de taille du tunnel est ouvert : il n'y a pas de système de support sous pression entre la tête de coupe et le sol excavé. Cette simplicité rend les tunneliers à pinces plus rapides et plus rentables dans des conditions appropriées : sans systèmes de pressurisation à gérer, l'accès de maintenance à la tête de coupe est plus facile, les cadences d'avance sont plus élevées et les machines sont mécaniquement plus simples. Ils constituent le choix standard pour les tunnels d'approvisionnement en eau, les tunnels ferroviaires et les projets hydroélectriques en terrain montagneux – des applications où la machine passera la majeure partie de son entraînement dans des roches compétentes. La limite est tout aussi claire : dans des sols meubles, des sols saturés ou des conditions mixtes, un tunnelier à face ouverte ne peut pas soutenir en toute sécurité la face du tunnel, ce qui le rend inadapté aux projets urbains où le tassement du sol endommagerait les structures de surface.

TBM à pression de terre (EPB) – Idéal pour les sols mous et les environnements urbains

Le tunnelier à pression de terre est le type de machine le plus largement utilisé dans le monde entier pour le creusement de tunnels dans les métros urbains et les infrastructures. Il résout le problème du support des sols meubles en remplissant la chambre de la tête de coupe (l'espace entre la tête de coupe et une plaque de cloison derrière elle) avec de la terre excavée conditionnée à la bonne consistance à l'aide de mousse, de polymères ou d'eau. Cette boue conditionnée est maintenue à une pression qui équilibre la pression de la terre et des eaux souterraines au niveau de la face du tunnel, empêchant ainsi l'effondrement de la face et minimisant les mouvements du sol. La boue sous pression est extraite de la chambre via un convoyeur à vis, qui contrôle le taux d'enlèvement de matière pour maintenir la pression de la face cible. Les tunneliers EPB sont particulièrement efficaces dans les sols riches en argile, les sols sableux et les sols mixtes avec une pression modérée des eaux souterraines. Ils constituent le type de machine dominant pour la construction de métros dans des villes comme Londres, New York, Tokyo, Pékin et pratiquement tous les grands projets de tunnels urbains des 30 dernières années.

Bouclier à lisier (Mixshield) TBM — Idéal pour les sols saturés d'eau et les sols grossiers

Le tunnelier à boue utilise de la boue de bentonite sous pression – un mélange liquide d'eau et d'argile – pour soutenir la face du tunnel plutôt que de la boue conditionnée. La boue remplit la chambre de la tête de coupe sous pression et forme un gâteau de filtration sur la face du tunnel qui transmet la pression d'appui au sol. Les matériaux excavés se mélangent au lisier et sont pompés hors du tunnel sous forme de suspension liquide à travers un pipeline à lisier, transportés vers une usine de séparation de surface où les solides sont éliminés et le lisier nettoyé est renvoyé à la machine pour être réutilisé. Cette approche de circuit à lisier est plus complexe et plus coûteuse que l'EPB, mais elle excelle dans les conditions où l'EPB peine : graviers et sables hautement perméables avec une pression d'eau souterraine élevée, sols mélangés avec des rochers et traversées de tunnels sous-marins. Le projet Crossrail à Londres, le tunnel de l'Øresund entre le Danemark et la Suède et le tunnel du pont Hong Kong-Zhuhai-Macao ont tous utilisé des machines à bouclier à lisier pour leurs sections sous-marines ou à haute pression d'eau les plus difficiles.

Tunneliers multimodes — Flexibilité pour terrain variable

Une catégorie croissante de tunneliers est le tunnelier convertible ou multimode, conçu pour basculer entre les modes de fonctionnement - généralement entre EPB et open-face, ou entre EPB et bouclier à lisier - à mesure que les conditions du sol changent le long du tracé du tunnel. Ces machines sont plus complexes et plus coûteuses que les machines monomodes, mais peuvent être essentielles pour les projets où le tunnel doit traverser une géologie radicalement différente sur toute sa longueur. Un scénario courant est celui d'un tunnel qui commence dans des sols urbains meubles, traverse une couche de sable aquifère, puis pénètre dans une roche compétente - une séquence qui mettrait au défi n'importe quelle machine monomode. La capacité multimode permet à une seule machine d'effectuer l'intégralité du trajet sans l'option peu pratique d'extraction et de remplacement de la machine au milieu du tunnel.

Types de tunneliers en un coup d'œil : comparaison côte à côte

Facteurs clés qui déterminent la vitesse à laquelle un tunnelier peut progresser

Le taux d'avancement – mesuré en mètres par jour ou par équipe – est la principale mesure de production pour tout projet de tunnelier et a un impact énorme sur le coût et le calendrier du projet. Cependant, le taux d’avancement n’est pas simplement fonction de la puissance ou de la taille de la machine. Elle résulte de l’interaction de plusieurs variables, dont beaucoup échappent au contrôle de l’équipe projet :

• Résistance des roches et abrasivité : Dans le creusement de tunnels en roche dure, la résistance à la compression de la roche et l'abrasivité du contenu minéral (en particulier la teneur en quartz) sont les principaux déterminants du taux de pénétration et de la durée de vie du disque de coupe. Un granit extrêmement dur et abrasif peut réduire la durée de vie de la fraise à moins de 20 mètres d'avance par fraise, ce qui nécessite des interventions fréquentes de la tête de coupe qui réduisent considérablement le taux d'avance net. Les roches plus tendres comme le calcaire ou la craie permettent des taux de pénétration beaucoup plus élevés et une durée de vie plus longue.
• Comportement du sol et stabilité du front : Des conditions de sol instables (sables coulants, argile comprimée ou zones rocheuses faillées) peuvent nécessiter des interventions, un traitement du sol ou une vitesse d'avancement réduite pour gérer en toute sécurité. Dans des cas extrêmes, le tunnelier peut se retrouver piégé ou « coincé » dans un terrain comprimé, un scénario qui peut prendre des semaines ou des mois à résoudre et qui représente l'un des risques les plus coûteux dans le creusement de tunnels au tunnelier.
• Capacité de manutention des déblais : Le système d'évacuation des déblais de surface doit suivre le débit d'excavation de la machine. Un goulot d'étranglement dans le transport des déblais – qu'il s'agisse de limites de capacité du convoyeur, de pénuries de wagons ou de logistique d'élimination en surface – réduit directement le taux d'avancement atteignable de la machine, quelle que soit la qualité de sa coupe.
• Délai de fourniture et d'installation des segments : Chaque anneau de revêtement de tunnel doit être livré à la machine et installé avant que la course de poussée suivante puisse commencer. Les retards dans la livraison des segments, les cycles de grue dans le puits de lancement ou les problèmes de qualité avec les segments eux-mêmes réduisent tous le taux d'avance net. Les projets de tunneliers performants investissent massivement dans l’optimisation de la chaîne logistique du segment.
• Maintenance et temps d'arrêt : Les tunneliers fonctionnent 24 heures sur 24, en plusieurs équipes, mais ils nécessitent des interventions de maintenance programmées (inspections des têtes de coupe, changements de couteaux, lubrification, vérifications du système) qui doivent être prises en compte dans le calendrier de production. Les temps d'arrêt imprévus dus à des pannes mécaniques constituent la principale variable qui différencie les entraînements TBM performants de ceux en difficulté.

Principales applications des tunneliers dans le monde

Les tunneliers sont à l’œuvre sur tous les continents (à l’exception de l’Antarctique) et dans une gamme extraordinaire de types d’applications. L'ampleur et la diversité des projets de tunneliers au cours des dernières décennies reflètent à la fois la demande croissante d'infrastructures souterraines et la maturité croissante de la technologie des tunneliers pour répondre à des conditions difficiles.

Tunnels de métro urbain et de transport en commun rapide

La plus grande catégorie d’utilisation de tunneliers dans le monde est celle des tunnels ferroviaires de métro urbain. Chaque expansion majeure du métro dans le monde – de la ligne Elizabeth (Crossrail) de Londres au réseau de métro en constante expansion de Pékin, du tunnel du métro de Sydney au nouveau système de métro de Riyad – s'appuie principalement sur les tunneliers EPB pour construire les tunnels jumeaux qui transportent les trains entre les stations. Le projet de la ligne Elizabeth à lui seul a utilisé huit tunneliers pour forer plus de 42 kilomètres de nouveau tunnel sous l'une des villes les plus densément bâties au monde, avec des tassements de surface dans de nombreuses zones limités à moins de 5 millimètres. Ce niveau de contrôle n’est tout simplement pas réalisable avec aucune autre méthode d’excavation.

Tunnels autoroutiers et routiers

Le creusement de tunnels routiers utilise de plus en plus de tunneliers de grand diamètre capables de creuser des tunnels suffisamment grands pour transporter deux à quatre voies de circulation dans un seul forage. Le tunnel de remplacement du viaduc SR 99 Alaskan Way à Seattle, achevé en 2019, a utilisé Bertha – à l'époque le plus grand tunnelier du monde avec 17,5 mètres de diamètre – pour creuser un tunnel routier à deux niveaux sous le centre-ville. Les tunneliers routiers doivent creuser des sections transversales beaucoup plus grandes que les tunnels de métro, ce qui nécessite des forces de poussée nettement plus élevées, des têtes de coupe plus grandes et des systèmes d'entraînement plus puissants. Les segments en béton préfabriqué destinés aux grands tunnels routiers peuvent peser entre 10 et 15 tonnes chacun et nécessitent un équipement de levage et de montage spécialement conçu à l'intérieur de la machine.

Tunnels d’approvisionnement en eau, d’égouts et de services publics

Les tunnels d’infrastructures hydrauliques sont l’un des domaines d’application les plus anciens et les plus cohérents des tunneliers. Les tunnels d’approvisionnement en eau en profondeur – forés à des profondeurs de 50 à 200 mètres à travers un substrat rocheux compétent – ​​permettent aux villes de déplacer l’eau sur de longues distances sans perturber les tranchées de surface. Le tunnel Tideway de Londres, un tunnel de trop-plein d'égouts unitaires de 25 kilomètres actuellement sous la Tamise, utilise trois tunneliers pour percer la craie et l'argile à des profondeurs allant jusqu'à 65 mètres. Le projet Deep Tunnel de Chicago, l'un des plus grands systèmes de tunnels jamais construits, a utilisé des tunneliers pour forer plus de 175 kilomètres de tunnel pour le stockage des débordements d'égouts unitaires et le contrôle des inondations. Pour des diamètres plus petits, les microtunneliers – essentiellement des tunneliers miniaturisés actionnés à distance sans personnel à l'intérieur – installent des canalisations et des conduits de services publics dans les zones urbaines sans creuser de tranchées à ciel ouvert.

Tunnels ferroviaires et ferroviaires à grande vitesse

Les tunnels ferroviaires longue distance à travers les chaînes de montagnes représentent certains des projets de tunneliers les plus difficiles et les plus célèbres de l'histoire. Le tunnel de base du Saint-Gothard en Suisse — le plus long tunnel ferroviaire du monde avec ses 57 kilomètres — a été achevé en 2016 après 17 ans de construction utilisant plusieurs tunneliers qui ont dû percer toute la complexité géologique des Alpes suisses, y compris le granit dur, le schiste et de multiples zones de failles. Le tunnel sous la Manche reliant l'Angleterre et la France a utilisé 11 tunneliers pour creuser trois tunnels (deux tunnels courants et un tunnel de service) sous la Manche. Les projets en cours, comme la ligne maglev Chuo Shinkansen au Japon, comprennent des tunnels s'étendant sur plus de 25 kilomètres à travers une géologie montagneuse difficile, poussant la technologie des tunneliers vers de nouvelles frontières.

Le coût réel des projets de tunneliers : ce qui détermine les chiffres

Le creusement de tunnels au tunnelier est coûteux - souvent extraordinairement - et comprendre ce qui détermine le coût aide les propriétaires de projet et les ingénieurs à prendre des décisions éclairées quant au moment où le tunnelage au tunnelier est le bon choix par rapport à des alternatives telles que la construction par tranchée couverte ou par forage et dynamitage.

Les coûts typiques des tunnels tunneliers dans les pays développés varient entre 50 millions de dollars et 300 millions de dollars par kilomètre pour les tunnels de taille métropolitaine, avec des variations significatives en fonction du diamètre, de la géologie, de la complexité urbaine et des coûts de main-d'œuvre et de matériaux spécifiques au pays. Ces chiffres sont élevés, mais ils doivent être comparés au coût total des alternatives, y compris le coût de la perturbation des surfaces, les impacts sur les propriétés et l'importance accordée à la construction d'infrastructures profondes qui ne consomment pas l'espace rare d'une ville moderne.

Enquête géotechnique : pourquoi la connaissance du terrain est essentielle dans le creusement de tunnels au tunnelier

Aucun facteur n’a un plus grand impact sur le succès ou l’échec d’un projet de tunnelier que la qualité de l’enquête géotechnique menée avant même la sélection de la machine. Le sol est le support du tunnelier, et les surprises dans le sol (défauts inattendus, changements soudains de pression de l'eau, rochers dans un sol autrement mou ou conditions de faces mixtes pliables) sont à l'origine de la plupart des retards, des dépassements de coûts et des incidents de sécurité des principaux projets de tunneliers.

Une étude géotechnique complète pour un tunnel TBM comprend généralement le forage de trous de forage à intervalles réguliers le long du tracé (souvent tous les 50 à 100 mètres pour les projets urbains), des tests en laboratoire d'échantillons de roches et de sol pour vérifier leur résistance, leur abrasivité, leur perméabilité et d'autres propriétés, la surveillance de la pression des eaux souterraines et des études géophysiques pour identifier les obstacles, les cavités ou les anomalies enfouis entre les forages. Malgré le coût (un programme d'investigation géotechnique approfondi peut représenter 1 à 3 % du coût total d'un projet), les ingénieurs expérimentés en tunnels le considèrent universellement comme le meilleur investissement dépensé pour un projet de tunnelier. Chaque dollar investi dans l'étude du terrain avant la construction équivaut généralement à dix dollars ou plus économisés en réclamations évitées et en retards pendant la construction.

Le rapport de référence géotechnique (GBR) — un document qui établit les conditions contractuelles de référence pour le comportement du sol sur lesquelles sont basées la sélection et la tarification du tunnelier par l'entrepreneur — est l'un des documents contractuels les plus importants de tout projet de tunnelier. Les conditions qui dépassent la référence déclenchent les mécanismes contractuels de partage des risques entre le propriétaire et l’entrepreneur. Obtenir une bonne base de référence, basée sur une enquête approfondie, est fondamental pour un projet équitable et réussi.

Des innovations qui façonnent l’avenir des tunneliers

La technologie des tunneliers a remarquablement progressé depuis les premières machines à succès dans les années 1950 et 1960, et le rythme de l'innovation s'accélère plutôt que de ralentir. Plusieurs axes de développement sont susceptibles de définir la prochaine génération de tunneliers :

• Surveillance des têtes de coupe en temps réel et maintenance prédictive : Les tunneliers modernes embarquent déjà des centaines de capteurs surveillant les vibrations, le couple, la poussée, la température et la pression au sol en temps réel. La prochaine étape consiste à intégrer l'IA et l'apprentissage automatique pour prédire l'usure et les défaillances des couteaux avant qu'elles ne se produisent, permettant ainsi de planifier les interventions de maintenance plutôt que de les réagir. Cela a le potentiel d’améliorer considérablement la disponibilité des machines et d’augmenter les tarifs en réduisant les temps d’arrêt imprévus.
• Tunneliers autonomes et téléopérés : Même si l’automatisation complète des tunnels au tunnelier reste un objectif à long terme, des étapes significatives vers une plus grande automatisation sont déjà en cours. Les érecteurs de segments automatisés, les systèmes de guidage basés sur GPS et la gestion semi-autonome de la poussée sont désormais la norme sur les machines avancées. Plusieurs fabricants développent des machines capables d'un fonctionnement prolongé avec une intervention minimale de l'opérateur, réduisant ainsi la main d'œuvre requise à l'intérieur du tunnel et améliorant la sécurité.
• Technologies de coupe alternatives : Les fraises à disque conventionnelles sont limitées dans leur capacité à pénétrer efficacement dans les types de roches les plus dures. Des recherches sur le préconditionnement au laser, aux micro-ondes, au plasma et au jet d'eau à haute pression de la roche devant la tête de coupe sont en cours, dans le but de réduire l'énergie nécessaire à l'excavation et d'élargir la gamme de conditions de sol dans lesquelles les tunneliers peuvent fonctionner de manière économique.
• Sections transversales non circulaires du tunnelier : Les tunneliers standards produisent des tunnels circulaires, mais de nombreuses applications d'infrastructure - en particulier les tunnels routiers et les galeries de services publics combinées - bénéficieraient de sections transversales rectangulaires ou en forme de fer à cheval qui utilisent plus efficacement l'espace disponible. Plusieurs tunneliers expérimentaux non circulaires ont été développés et testés au Japon et en Chine et, bien que cette technologie ne soit pas encore largement répandue, elle représente une frontière importante pour l'industrie.
• Tunneling continu sans interruption anneau par anneau : Le cycle arrêt-démarrage actuel de l'avance du TBM (course de poussée, puis arrêt pour installer l'anneau segmenté, puis reprise) limite le taux d'avance net de la machine à généralement 50 à 70 % de son maximum théorique. La recherche sur les systèmes de tunnels continus – dans lesquels les segments sont installés simultanément avec l'avancement de la machine plutôt qu'en alternance – a le potentiel d'améliorer considérablement la productivité, même si les défis d'ingénierie sont importants.