Préalablement à la restauration de la collégiale Saint-Tugal, le service municipal d’archéologie de la Ville de Laval a réalisé un diagnostic archéologique des vestiges en élévation. L’étude de bâti des parements subsistants de l’église collégiale et du bâtiment claustral sud-est (sacristie) a permis d’affiner la chronologie du site établie lors des différentes opérations de terrain antérieures et de définir les caractéristiques architecturales des différents édifices canoniaux appréhendés.

Datée du 3^e quart du 15^e siècle, la première phase observée consiste en un vaste projet comprenant à la fois la reconstruction du chœur de l’église collégiale préexistante et la constitution d’un cloître à galeries au nord. De plan rectangulaire, le nouveau sanctuaire est à chevet plat et présente trois travées voûtées d’ogives. À l’extérieur, une série de contreforts en moyen appareil et rythmée par différentes ruptures d’aplomb (empattement, larmiers etc.) souligne cette division tripartite du chœur. Au nord, seule la première travée est ajourée par une large baie. À l’intérieur, l’étude du parement du mur nord de la 3^e travée, le dernier encore visible aujourd’hui, a mis en évidence l’insertion durant cette phase de pots acoustiques dans l’ensemble des trous de boulin. Attenant à la dernière travée, le bâtiment claustral sud-est constitue, d’après les sources écrites d’époque moderne, la sacristie de l’établissement canonial. Doté de deux niveaux et éclairé par deux travées de fenêtre sur chaque mur gouttereau, le seul élément de distribution vers l’extérieur est une porte permettant d’accéder au chœur liturgique. Au sein du cloître, sa façade présente les vestiges (ressaut, assises de corbeaux) d’une galerie surmontée d’une galerie haute. Toutefois, aucune liaison n’est ménagée entre ces dernières et le bâtiment, leurs niveaux de planchers respectifs étant notamment totalement discordants.

À partir de 1485, au-delà du chevet achevé quelques années auparavant, un nouveau projet d’extension de l’édifice cultuel est entamé. Il consiste en l’édification d’un vaste transept et d’un chœur. Néanmoins, dès la fin du 15^e siècle,  ce dessein, demeurant inachevé, paraît être abandonné. En outre, au regard des opérations archéologiques antérieures, le chœur, bien qu’amorcé, n’a jamais été fondé. Seul le transept semble avoir été, tout au moins en partie, érigé sans pour autant avoir été investi par les chanoines. D’une hauteur nettement supérieure à celle de l’église existante, il est doté d’une coursive et est épaulé par des contreforts angulaires extrêmement similaires à ceux de la phase précédente. Chemisant le mur est du bâtiment claustral étudié, le mur ouest du bras nord est percé d’une baie afin de ne pas obstruer les deux travées de fenêtres de la sacristie. Il présente également une porte ménagée pour permettre l’accès à cette dernière.

Au cours du 18^e siècle, l’église collégiale bénéficie d’une campagne d’embellissement tandis que la distribution de la sacristie est profondément modifiée. Au 19^e siècle, suite au morcellement puis la vente au titre des biens nationaux de la collégiale, cette dernière est progressivement démolie.

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