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Le tracé de la ligne sur le territoire de la Bourgogne, pour relier Laroche-Migennes à Chalon sur Saone présente la difficulté de franchissement du seuil de Bourgogne, ligne de partage des eaux entre les vallées de la Seine et de la Saone. Ce tracé qui doit, selon le vœu des Dijonnais, prendre en compte la desserte de Dijon, seule ville importante du trajet en Bourgogne, a fait l'objet de plusieurs propositions et variantes.
Parmi ces propositions, celle de l' ingénieur en chef des Ponts et Chaussées Courtois retient, si le chemin de Lyon doit être commun avec le chemin de Strasbourg, un projet passant par la Brie, suivant les vallées de la Marne, de l'Aube et de la Tille. Le tracé proposé par Hyacinthe Bruchet[ suit la vallée de la Seine, de l'Yonne et du Serein pour arriver à Chagny. Ce tracé est le plus court mais il évite Dijon. Le tracé d'Arnollet suit la Seine en passant par Troyes ; celui de l'ingénieur Polonceau, en 1840, suivait la vallée de l'Armançon jusqu'à Semur en Auxois puis le canal de Bourgogne pour passer du bassin de la Seine à celui de la Saone sans souterrain.
Des trois projets retenus, ceux d'Arnollet, de Bruchet et de Polonceau, le comte Daru, qui présidait la commission supérieure des chemins de fer, pair de France, donne la préférence au projet du passage par la vallée de l'Yonne, Pont d'Ouche et Beaune avec contournement du mont Afrique ou percement d'un souterrain. Ce choix imposait la création d'un embranchement pour la desserte de Dijon, seule ville importante dans la région. Henry Darcy, ingénieur en chef du département de la Côte d'Or et dijonnais, propose alors un autre tracé, passant par Blaisy Bas. Il nécessite le percement d'un souterrain (tunnel de Blaisy Bas) mais est plus court que celui envisagé initialement sous le mont Afrique et présente un profil moins sévère. La distance entre Paris et Dijon étant ainsi raccourcie et le coût moins élevé, le tracé par la ville de Dijon est donc finalement retenu et inscrit dans la loi du 7 juillet 1845
Une première concession fut attribuée en janvier 1844 à un groupe financier conduit par le banquier Delamarre qui constitua une compagnie du nom de l'« Union ». Dans l'impossibilité de remplir ses engagements envers l'État par manque de ressources financières, elle eut une vie éphémère et dut se dissoudre. Une ordonnance du 1er mars 1846 autorisa une nouvelle « Société anonyme du chemin de fer de Paris à Lyon », formée au capital de 200 millions de francs. La concession fut accordée pour une durée de 41 ans et 90 jours. Par manque de crédits, cette Compagnie ne put mener sa tâche à bien et fut liquidée. L'État prit possession du chemin de fer de Paris à Lyon par décret du 17 août 1848. Par décret du 5 janvier 1852, une nouvelle Compagnie reçut la concession directe du Chemin de fer de Paris à Lyon. Le décret du 20 mars 1852 approuva les statuts de la Société formée sous la dénomination de Compagie de Paris à Lyon. Les travaux de la section de Paris à Tonnerre, qui ne présentaient pas de difficultés particulières, arrivaient à leur terme. La section Melun - Montereau fut mise en service provisoire le 3 janvier 1849 et toute la section de Paris à Tonnerre, soit 196 km, était ouverte le 12 août 1849 Le service s'effectua avec sept relations journalières au départ de Paris pour une durée de voyage de sept heures. L'inauguration du 12 août 1849 se fit en présence de Louis Napoléon Bonaparte , président de la République.
L'ouverture au public de la section Dijon – Chalon sur Saone eut lieu le 1er septembre 1849 sans solennité. L'inauguration de la section de ligne de Tonnerre à Dijon eut lieu le 1er juin 1851 et l'ouverture au public le 22 juin 1851. La section restante de Chalon sur Saone à Lyon-Vaise ouvrait trois ans plus tard, le 10 juillet 1854
De Lyon à Avignon
Une loi du 16 juillet 1845 autorise la concession par adjudication d'une ligne de Lyon à Avignon avec embranchement sur Grenoble. La ligne est adjugée le 10 juin 1846 à Monsieur Paulin Talabot. Cette adjudication est approuvée par une ordonnance royale le lendemain[15].
Les statuts définitifs de la Compagnie du chemin de fer de Lyon à Avignon sont signés le 27 décembre 1846, et homologués par une ordonnance royale le 2 janvier 1847. Au cours de l’année 1847, la compagnie n’arrivant pas à rassembler des fonds suffisants, renonce à la concession et son assemblée générale vote sa dissolution le 11 octobre. Le 28 décembre 1847, une décision du ministre des Travaux publics prononce sa déchéance.
Une loi du 1er décembre 1851 autorise à nouveau la concession par adjudication d'une ligne de Lyon à Avignon. La ligne est adjugée le 3 janvier1852 à Messieurs Étienne-François Génissieu, Boigues et compagnie, Émile Martin et compagnie, Édouard Blund, Basile Parent, Drouillard, Benoist et compagnie. Cette adjudication est approuvée par un décret à la même date[. Les statuts de la Compagniedu chemin de fer de Lyon à Avignon sont signés le 22 mars 1852, et la compagnie est autorisée par décret présidentiel le 27 mars 1852 L'embranchement sur Grenoble ne fait cette fois pas partie de la concession, et sera attribué à la Compagnie du chemin de fer de Saint Rambert à Grenoblele 13 janvier 1855
Le 19 juin 1852, les compagnies du chemin de fer de Marseille à Avignon et du chemin de fer de Lyon à Avignon signent une convention prévoyant le rachat de la première par la seconde. Une loi du 8 juillet 1852 acte ce rachat, et rassemble différentes concessions du sud-est de la France au sein de la Compagnie du chemin de fer de Marseille à Avignon, renommée Compagnie du chemin de fer de Lyon à la Méditerranée
C'est la Compagnie du chemin de fer de Lyon à la Méditerranée qui mettra finalement la ligne en service de 1854 à 1856
D'Avignon à Marseille
Ce tronçon a été le premier à se concrétiser. Une loi du 24 juillet 1843 concède pour 33 ans le chemin de fer de Marseille à Avignon à MM. Paulin Talabot, Joseph Ricard, Chaponnière et Rey de Foresta selon les termes de conventions signées les 31 mai et 12 juin 1843
Les statuts définitifs de la Compagnie du chemin de fer de Marseille à Avignon sont signés le 28 aout 1843 . La Compagnie est autorisée par ordonnance royale le lendemain
En 1848, la Compagnie se trouve en cessation de paiement. Un arrêté du président du Conseil, chargé du pouvoir exécutif, signé le 21 novembre 1848, place la ligne et l’ensemble de ses installations sous séquestre. Le 19 novembre 1849, une loi offre la garantie financière de l’État à la compagnie à concurrence de 30 millions de francs
Le 19 juin 1852, les compagnies du chemin de fer de Marseille à Avignon et du chemin de fer de Lyon à Avignon signent une convention prévoyant le rachat de la première par la seconde. Une loi du 8 juillet 1852 acte ce rachat, et rassemble différentes concessions du sud-est de la France au sein de la Compagnie du chemin de fer de Marseille à Avignon, renommée Compagnie du chemin de fer de Lyon à la méditerranée.Un décret présidentiel du 5 août 1852 lève le séquestre de la ligne de Marseille à Avignon
La Compagnie du chemin de fer de Lyon à la Méditerranée disparaît, absorbée dans la fusion, approuvée par décret du 19 juin 1857, des compagnies suivantes :
- La Compagnie du chemin de fer de Paris à Lyon
- La Compagnie du chemin de fer de Paris à Lyon par le Bourbonnais ;
- La compagnie du chemin de fer de Lyon à Genève
l- La compagnie du chemin de fer Grand Central de France
Ainsi sera formée la Compagnie des chemins de fer de Paris à Lyon et à la méditerranée, communément désignée par la suite par PLM.

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