関門トンネル (山陽本線)
上り線トンネルのシールド工法は第二立坑から発進するもので、当初は圧気工法が第一立坑から第二立坑に到達した後にシールドを発進させる予定であったが、圧気工法区間での噴発事故の発生で到達が遅れる見込みになったことから、シールドが単独で先行することになった。下り線トンネルと同様、上り線トンネルの発進立坑も曲線区間にあり、下り線での経験からシールドの曲線での推進にも自信を得ていたが、立坑内でシールドの推進力を後ろの壁に伝えるために仮組してある環片が移動しないように、発進時は直線で推進して、シールド全体が地中に入ってから曲線へ推進させることになった。
下り線トンネルでは、シールドマシンを組み立てて発進させる台が沈下してしまったことから、上り線ではコンクリートを用いた台を用意し、結果的にまったく沈下せずに済んだ。シールドの製作と組立作業は一括して三菱重工業に請け負わせて実施し、立坑完成後すぐの1943年(昭和18年)1月に組立に着手し、下り線で2か月ほどかけた作業が1か月で完了した。シールドの装備品についても、下り線の経験を反映して改良されたものとした。すべての準備作業に、下り線では約6か月を要したが、上り線では約4か月で完了し、1943年(昭和18年)5月7日から圧気を開始し、5月10日からシールドの推進を開始した。
下り線での経験ではズリのトロッコへの積み込み作業で進行速度が制約されていたため、上り線においては空気圧動作式のズリ積み機を用意した。
そのためこれを日本に持ち込もうと考え、山陽鉄道およびその後継の国有鉄道に出願し、宮本が請け負って貨車航送を行うことになった。貨車航送では、貨車をそのまま船に搭載して対岸に渡すため、貨物の積み替えに伴う損害から解放され、積み替えの都合上取り扱いが制限されていた長尺物・石炭・砂利も取り扱えるようになり、連絡時間も大幅に短縮されることになった。1911年(明治44年)3月1日から日本で最初の貨車航送が開始され、9月末日限りで従来の積み替えを伴う輸送を全廃した。
貨車航送に伴う利便性の向上は著しく、輸送量は航送開始前の半年で貨車数にして下り4,762両、上り4,762両相当の貨物輸送であったのに対して、航送開始後の半年では下り8,987両、上り8,823両相当の貨物輸送に増加した。請け負う宮本は貨車1両の航送あたりで受け取る作業料で利益を上げ、国鉄側にとっても宮本に払う請負料は関門間の貨物運賃より安かったため純利益が出ており、さらに荷主に支払う貨物損傷の補填費用が不要となり、貨物輸送の増加や貨車の両岸での融通が可能となるなど、多大な利益を得ていた。荷主も貨物の損傷や紛失の減少に喜んだ。その後、請負に伴う不便もあったために宮本から設備一切を国鉄が買い取って、1913年(大正2年)6月1日付で貨車航送を国鉄の直営とした。この貨車航送は、九州側では小森江付近に発着しており、門司に発着する旅客用の関門航路と区別して関森航路(かんしんこうろ)と呼ばれた。
関門航路(関森航路)の小森江桟橋の可動橋。貨車を連絡船に積載している
1929年の門司駅、後の門司港駅
上り線下関方海底部は延長869.5メートルで、下り線の建設時の経験に基づき施工計画を行った。工事をしていない斜坑の数をなるべく減らすため、試掘坑道から本坑に取りつく斜坑の数はなるべく減らしたいという考えがあり、結果的に上り線では斜坑は2か所になった。難関となる第三紀層地帯については圧気工法の採用も検討したが、下関方には圧気工法の経験のある者がほとんどいなかったこと、下り線建設時のセメント注入がよく回っていると判明したことなどから、セメント注入で固めながら掘削していく方針となった。
第一斜坑は、第三紀層地帯より下関方の510K490Mに、高さ2.8メートル、幅2.5メートルの断面で本線に直角に建設した。1942年(昭和17年)2月から4月にかけて建設し、上り線トンネルに切り上がった。第二斜坑は地質の良好な510K820Mに、やはり高さ2.8メートル、幅2.5メートルの断面で、本坑トンネルと40度をなす角度で斜めに建設した。この配置は第三紀層地帯に圧気工法を適用することを考慮したもので、門司方からの送気が可能なような向きで建設した。1942年(昭和17年)2月に着手し3月に完了した。
立坑から第一斜坑までの207.5メートルは、下り線同様に地質が良好と考えられ、通常通り底設導坑を先進させる形で掘削した。1942年(昭和17年)1月20日に立坑側から着手し、途中第一斜坑側からも底設導坑を推進して、4月に貫通した。以降切り広げを進め、12月に頂設導坑が貫通し、1943年(昭和18年)7月に完成した。
第一斜坑と第二斜坑の間は、約180メートルにわたって地質の悪い第三紀層地帯があり、この区間については頂設導坑を先進させた。
ボーリング調査、弾性波調査に加えて、試掘坑道を掘って確認された海底部の地質は以下の通りである。下関方試掘坑道から100メートル付近までは輝緑凝灰岩が分布し、そこから260メートル付近までは花崗岩となっている。花崗岩と輝緑凝灰岩の接触部は接触変質しており、接触面から10メートルほどは輝緑凝灰岩が黒雲母片岩に変化している。花崗岩のうち、200メートル付近は厚さ約20メートルほどの玢岩が貫入している。260メートル付近から厚さ約15メートルの断層破砕帯があり、そこから先は礫岩、砂岩、頁岩などの水成岩(堆積岩)などとなっている。この地層は420メートル付近まで続き、再び約20メートル幅の断層破砕帯を挟んで輝緑凝灰岩層に入る。この輝緑凝灰岩層は、門司側にある花崗岩層の影響を受けて変質している部分がところどころにあり、また玢岩の貫入も見られる。門司方に近づくにつれて次第に玢岩の方が主体となっていく。910メートル付近からは花崗岩層となり、この層もところどころ玢岩の貫入が見られる。
6月1日 - 山陽本線小郡以西と鹿児島本線門司港-久留米間電化開業、門司駅構内は暫定の交直接続を実施。 10月1日 - EF30形正式運用開始。 12月22日 - EF30形はパンタグラフを2台とも使用して運転に変更。 12月 - 下関・門司変電所無人化。 この年、下関変電所は水銀整流器2台をシリコン整流器に換装、門司変電所は交流饋電設備を設置。
1962年(昭和37年) 2月19日 - 門司駅構内の下り貨物線に交直セクション新設。 2月26日 - 門司駅構内の上り線に交直セクション新設。 2月27日 - 門司駅構内の下り旅客線に交直セクション新設。 3月2日 - 門司駅構内の直流区間を交流化し、正規の位置での交直デッドセクションを運用開始。
1963年(昭和38年) - この年、トンネル内架線の引き留めを全トンネル1本から約500メートルごとの8本に変更。
1964年(昭和39年) 10月1日 - 山陽本線全線電化完成、直流形特急電車(151系)の乗り入れを開始。 11月1日 - 関門航路廃止。
1965年(昭和40年)10月1日 - 直流形特急電車に代わり交直流特急電車(481系)・急行電車(475系)使用開始。
1973年(昭和48年) 7月19日 - 消火器・位置標整備。 11月14日 - 関門橋開通。 この年、EF81形の関門トンネルでの運用開始。
1974年(昭和49年) 3月30日 - 待避路・連絡通路改築、弟子待沈殿槽改築。 11月15日 - 上下線連絡通路改良。
1975年(昭和50年) 3月10日 - 新関門トンネル開通。 3月30日 - トンネル沿線電話新設。
1976年(昭和51年) 2月20日 - エレベーター取替。 3月30日 - トンネル内無線連絡新設。
このパイプをつなぐ作業にかなりの時間を要したため、結果的に運転時間は1日平均6 - 10時間程度であった。これに対して立坑から吊り下げたポンプは1日20 - 24時間程度運転することができた。また輸送用のモーターカーの排気により一酸化炭素が発生し、頭痛を訴える作業員も出たため、モーターカーの使用を制限したり換気装置を設置したりといった対応に追われた。
最盛期には1,000人を超える作業員が1日3交代制で作業に従事した。下り線は7月10日に、上り線は翌11日に、トンネルの天井部分がすべて見えてくる程度に減水し、下り線は12日12時に一応の排水が完了した。しかし、残りの水は試掘坑道へ排除できるものと考えていたが、試掘坑道へ通じる排水管が詰まっていたため、トンネル内の湧水により却って増水する状況であった。そこで、排水管の閉塞を取り除くと流れ出した水で吸い込まれてしまう危険があるのを顧みず、下関工事事務所の職員が汚水に潜って手探りで排水管を探り当て、詰まっていたごみを取り除いて、無事に排水を完了させることに成功した。中央部に溜まった泥や土が約60センチメートル程度あり、ポンプ室に備えられた試掘坑道への連絡パイプを通じてできるだけ試掘坑道に排除するとともに、両側の坑口からトロッコを使って搬出し、7月13日19時に試運転列車を通過させ、7月14日0時35分門司発の貨物列車第678列車から単線での運転を17日ぶりに再開した。
シールドマシンを推進するシールドジャッキは、200トンの能力のものを下り線用で24本、上り線で22本装備した。イギリス・アメリカ・フランスなどシールドトンネルの施工実績のある国の例を参考に研究して、推進能力を設定した。常用水圧は400 kg/cm、シリンダー有効直径は250ミリメートル、最大衝程1,110ミリメートルであった。また、シールドマシン内部の作業床の出し入れをする可動床ジャッキと、山留に使用する山留ジャッキを装備した。また水圧動作で環片を組み立てる環片組立機(セグメントエレクター)を装備した。小規模のシールドマシンでは人力でセグメントを組み立てる例もあるが、関門トンネルの規模では機械力によるのは必須であった。シールドとは別に移動式の組立機を用意する例もあるが、関門トンネルではシールドに固定された組立機を採用した。また、電力によって動作する組立機の実例もあったが、ほかのジャッキ類がすべて水圧動作であるため水圧式の組立機を採用した。組立機は、伸び縮みするアームを回転させられるようになっており、環片をアームの先でつかんで固定して所定の位置へアームを回転させ、アームを伸ばしてトンネル壁面の所定の位置へ環片を据えつける動作をした。
シールドトンネルにおいて壁面を形成する覆工は、環片(セグメント)と呼ばれるブロックを組み立てて構成し、さらにその内側に第二次覆工としてコンクリートを巻きたてることが普通である。環片の組み立ては、シールドマシンの尾部内側で行われ、輪環(リング)を構成したあと、シールドジャッキをリングに押し当ててシールドマシンの推進を行う。
12月1日 - 下り線トンネル下関方立坑掘削開始。
1938年(昭和13年) 1月7日 - 下り線トンネル門司方立坑着工。 2月28日 - 下り線トンネル下関方立坑掘削完了。 3月6日 - 下関方取付部弾性波地質調査開始(月末まで)。 4月26日 - 門司方から試掘坑道の水平掘削開始。 5月3日 - 下り線トンネル下関方取付部着工。 5月31日 - 下り線トンネル下関方立坑竣功。 6月5日 - 門司方試掘立坑竣功。 6月25日 - 下り線トンネル下関方海底部着工。 8月 - 下り線トンネル杉田斜坑着工。 10月1日 - 下り線トンネル杉田斜坑から下関方入口へ向けて底設導坑掘削開始。 10月4日 - 試掘坑道下関方416メートル付近にて崩壊事故発生。 10月28日 - 下り線トンネル下関方取付部の下関方入口からの工事開始。 10月 - 下り線トンネル杉田斜坑完成。 12月6日 - 下り線トンネル門司方立坑竣功。 12月23日 - 下り線トンネル下関方取付部で杉田斜坑と立坑の間が貫通。
1939年(昭和14年) 2月6日 - 門司方試掘坑道の水中微動計調査開始。 2月13日 - 下り線トンネル門司方潜函工法区間着工。 3月5日 - 門司方試掘坑道の水中微動計調査打ち切り。 3月20日 - 高松宮宣仁親王が工事現場を視察。 3月30日 - 下り線トンネル門司方シールド工法部着工。 4月9日 - 前田米蔵鉄道大臣が工事現場を視察。 4月19日 - 試掘坑道貫通。 5月20日 - 下り線トンネル下関方取付部で入口と杉田斜坑の間が貫通。 5月29日 - 下り線トンネル門司方シールド工法部でシールドマシンが初推進。 6月7日 - 下り線トンネル門司方シールド工法部の圧気開始。
一方、水中微動計を用いた調査も実施した。海底に微動計(振動を測定する機械)を沈め、門司方試掘坑道内のダイナマイトを爆破してその振動を計測するもので、1939年(昭和14年)2月6日から3月5日にかけて実施した。しかし、試掘坑道においてズリ(トンネル掘削によって掘り出される岩石や土砂)を運搬するトロッコの振動が伝わるため、坑内の作業を打ち切るタイミングと海上の潮流が収まって測定に好都合なタイミングを一致させなければならず、船と坑内の連絡がうまくいかないために測定は困難で、途中で打ち切られた。そのため、下関方で微動計を用いた調査を6月9日から36日間にわたって行った際には、試掘坑道ではなく海底にダイナマイトを据えつけて観測を実施した。これにより、510K540M付近に幅約15メートルの断層破砕帯が、510K700M付近から先に軟弱地帯があることが判明した。
試掘坑道は全長1,322メートルで、勾配は当初両側から2.5パーミルを予定していた。しかし相当の湧水が想定されたことから、勾配をきつくして7パーミルに変更した。工事中に下関方の坑道で崩壊事故が発生して進行が遅れた結果貫通点が変更され、門司方の勾配は途中で5パーミル、さらに3パーミルへと変更した。試掘坑道内は、軌間610ミリメートルの資材運搬線路を複線で敷設しさらに内径57センチメートルの換気管を設置するものとして、幅2.5メートル、高さ2.5メートル、上部を半円形とした断面で施工した。
下関方からは、立坑が完成するとすぐに1937年(昭和12年)11月18日から坑道の水平掘削を開始した。当初は湧水は少なく、全断面掘削で順調に進行した。途中、ボーリングにより前方の地質を探りながら進行した。やがて断層破砕帯に差し掛かり湧水量も増加したため、セメント注入を繰り返しながら前進するようになった。次第に湧水が増加し、地質が軟弱となってきて覆工作業を急いでいた1938年(昭和13年)10月4日4時ごろ、416メートル地点において突発的に濁水が噴出し、土砂が流出し始めた。作業員を非常呼集して流出防止の土留を設置し、次第に湧水が減少したこともあり崩壊量は約60立方メートルで済み、10月8日までに391メートル地点に厚さ3メートルのコンクリート隔壁を建設して残りの埋め戻し作業を行った。