関門トンネル (山陽本線)
またシールド工法についても、1920年(大正9年)の羽越本線折渡トンネル、1926年(大正15年)の東海道本線丹那トンネル水抜坑に次ぐ、日本で3回目の採用であったが、前の2回ではいずれも成功をおさめたとは言えなかったのに対して、3回目にして日本国内製造のシールドマシンを使って成功をおさめた。関門トンネルでは、おもに鋳鉄製の環片(セグメント)を使用したが、上り線の一部で鉄筋コンクリート製セグメントが用いられ、ボルト継手が採用されるなど、のちに日本で一般的に使われるようになる中子型のセグメントの原形となった。第二次世界大戦後、名古屋市営地下鉄東山線において覚王山トンネルがシールド工法で建設された際にこうした技術が受け継がれ、以降の都市トンネルの標準的な工法として発展していくことになった。
第二次世界大戦の悪条件の下で、新しい技術を駆使して海底トンネルを完成させたことは、その後の日本のトンネル技術発展に大きな貢献をすることになった。ただし、関門トンネルは世界初の海底トンネルであると触れられることがあるが、ニューヨークのイースト川は名前に川(river)とつくものの実際には海峡であり、ガスの導管を通すトンネルが1892年に最初に開通したのを皮切りに、20世紀初頭には鉄道用を含む多くのトンネルが開通している。また日本統治時代の朝鮮において太閤堀海底隧道が1932年(昭和7年)に開通しており、海底トンネルは日本の内外で先例がある。
5月10日 - 上り線トンネル門司方シールド工法部でシールド発進。 7月 - 上り線トンネル下関方海底部、立坑と第一斜坑の間が完成。 9月1日 - 上り線トンネル門司方シールド工法部第1隔壁完成、シールド推進再開。 9月14日 - 上り線トンネル下関方取付部竣功。 9月15日 - 上り線トンネル下関方海底部、第一斜坑と第二斜坑の間の第三紀層地帯が貫通。 11月25日 - 上り線トンネル門司方圧気工法部で第一立坑と第二立坑の間が貫通。 12月31日 - 上り線トンネル下関方海底部と門司方シールド工法部が貫通。
1944年(昭和19年) 2月11日 - 上り線トンネル門司方圧気工法部で排気。 3月 - 上り線トンネル下関方海底部、第一斜坑と第二斜坑の間が完成。 4月30日 - 上り線トンネル門司方圧気工法部竣功。 4月 - 上り線トンネル下関方海底部、第二斜坑から門司方が完成。 5月 - 下関変電所・門司変電所にそれぞれ2,000キロワット水銀整流器を1台ずつ増設。 8月8日 - 上り線トンネル下関方海底部竣功、門司方シールド工法部竣功、上り線トンネル開通、下り線を一時使用休止。 9月9日 - 下り線の使用再開、複線での運転を開始。 9月11日 - 試掘坑道の不要待避所埋戻し、二次覆工の施工などに着手、ただし戦局悪化のため労働力転用により、後に一時中止となる。
1945年(昭和20年) 2月1日 - 上り線トンネルにおいて貨物列車同士の追突事故発生。 5月 - 下関立坑から門司第2立坑内までの上り線トンネル内に、日本発送電の彦島変電所と新大里変電所の間を結ぶ22キロボルト特別高圧送電線のケーブルを敷設。 8月 - 試掘坑道の不要待避所埋戻し、二次覆工作業の再開。
門司方の作業場所については、試掘坑道への立坑を鹿児島本線より海岸側に設置した。当初は試掘坑道立坑付近に本線用の立坑も設置する予定であったが、試掘坑道用立坑の地質が予想外に悪かったこともあり、立坑の位置を鹿児島本線より内陸側に変更することになった。そこで、当初は試掘坑道立坑付近に仮設備を配置し、のちに一部を本坑の立坑位置付近に移設した。試掘坑道用立坑以外の門司出張所の建物類はほとんどが鹿児島本線と国道に挟まれた土地に建設されることになった。こちらにも下関方と同様に各種の倉庫、修理工場、コンクリート混和設備などが建設された。シールドトンネル内では、おもに川崎車輛製および日立製作所製の蓄電池式機関車を用い、軌間は610ミリメートルであった。大里駅から門司出張所内へ専用線を敷設し、工事用臨時列車を門司鉄道局に委託して運行してズリの搬出作業を行った。専用線内の入換作業は現場の担当であったため、入換用小型機関車を15トン機と10トン機の2両準備して使用した。ズリは門司操車場に運搬して盛土に使用した。
門司側でも下関側同様に坑内で消費する圧縮空気を供給するための空気圧縮機を設置した。試掘坑道用にはインガーソル・ランド製75馬力のものを2台設置し、本線用にはおもにシールドマシンの動作のために日立製作所製150馬力3台、インガーソル・ランド製400馬力6台、日立製作所製400馬力2台と多数の空気圧縮機を設置した。また試掘坑道用および下り線用にそれぞれ立坑エレベーターを設置し、上り線工事時には下り線用のものを転用した。小森江の海岸付近にも桟橋を造成して使用した。
4月19日10時、東京の鉄道省大臣室から前田米蔵鉄道大臣の電鈴を合図に最後の発破を行い、試掘坑道は貫通した。下関立坑中心から569メートル、門司立坑中心から753メートル地点で、双方の坑道のずれは水平に405ミリメートル、垂直に182ミリメートルであった。国道の試掘坑道が貫通したのは、鉄道に遅れること1週間であった。門司方の試掘坑道は7月31日、下関方の試掘坑道は8月5日に竣功となった。
本線トンネルの工事に利用したあとも、排水に利用するために試掘坑道は修築のうえ存置された。すべての排水ポンプが機能を停止したとしても、本坑より低い位置にある試掘坑道に水を流すことで本線トンネルの浸水まで時間を稼ぐことができる。この当時計測されたトンネル内の湧水量に加えて、トンネル外の雨量が1時間に30ミリメートルのときに、ポンプ所に到達する水の量は下関側2.46個(1秒間に2.46立方尺=約68.5リットル)、門司側0.17個(1秒間に0.17立方尺=約4.7リットル)となり、試掘坑道が満水になって上り本線の軌条面まで水が達し、より高い位置にある下関側の最後のポンプが浸水して運転不能になるまで17時間かかる計算とされた。こうしたこともあり、第二次世界大戦後も引き続き試掘坑道の修築工事が行われ、二次覆工の施工、不要な待避所の埋戻し、覆工裏側への豆砂利・セメント・火山灰などの注入作業が実施された。
ところが掘削を進めていると、予想に反して変成岩層は下方へ消えて貝殻交じりの粘土層となり、さらに純貝殻層に入ってしまった。湧水量が増大し、漏気も増大して400馬力空気圧縮機を4台運転し続けなければ坑内の気圧を維持できなくなった。
こうして苦闘していた12月22日の7時23分ごろ、停電事故が発生した。門司側の給電を行っていた九州電気軌道の砂津 - 大谷間の送電ケーブル焼損によるものであった。当時、10分間停電すると坑内圧の低下により致命的な大事故の発生する危険がある状況であったが、幸い7分で送電が復旧し、トンネルが大事故に見舞われることを辛うじて回避することができた。送電ケーブルは2回線あるうちの1回線が焼損事故で失われ、九州電気軌道では残り1回線で送電を継続し、一般電力を制限してまでも工事現場への供給維持に努めたが、送電線の容量を超過しており、いつ再度の事故を引き起こすかわからない状況であった。送電ケーブル修理の特殊技術者を飛行機で招いて復旧工事に努めたが、復旧完了には日数を要する状況であり、停電の危険のある状況で空気圧縮機を多数稼動させ続けなければならないほどの漏気状態を放置して掘削工事を続けるわけにはいかなかった。このためシールドの推進は一時的に中止し、漏気対策工事を実施することになった。
まずシールドの前面に粘土を貼りつける作業を行い、切羽からの漏気を防止した。これにより漏気量は毎分約1万7,000立方フィート(約481立方メートル)から毎分約6,000立方フィート(約170立方メートル)まで減少した。
5メートル低い地点を通過する。最低地点より門司側では、25パーミル勾配を511K100M地点まで採用し、以降は下り線と同じ20パーミル勾配で出口へ至る。下関側の入口の標高は+0.75メートル、トンネル内最低地点は-38.4メートル、門司側の出口は-1.99メートルの位置にある。
水平方向の線形は、下り列車進行方向に対して左に半径600メートルの曲線を描きながらトンネルに進入し、ほぼ直線となって海峡を横断して、門司側で下り列車進行方向に対して右に半径600メートルの曲線を描いて、再び直線となって出口へ至る。上下線のトンネルの線路中心線間隔は20メートルであるが、門司側で潜函工法や開削工法を採用した区間はこれより間隔が狭められている。
トンネルの断面については、普通工法区間と圧気工法区間は馬蹄形の断面で、第一号型断面を水圧に対抗するためにやや幅方向に広げ、起拱線より上で半径2.6メートルの半円として、軌条面での幅は3.5メートルである。シールド工法区間では、シールドの蛇行を最大で15センチメートルとして、内部の半径を3.0メートル、環片(セグメント)の厚さを0.5メートルとして外径は7メートルとなった。潜函工法および開削工法の区間ではいずれも、トンネル内側で幅4.8メートル、高さ5.75メートルの断面とした。
普通工法区間の断面図
シールド工法区間の断面図
潜函工法区間の断面図
開削工法区間の断面図
1961年(昭和36年)8月から10月にかけて、量産形のEF30形が門司に配置され、8月から順次営業運転を開始し、10月1日から本格的に運用を開始した。代わって、EF10形は関門間の運用から外れ、直流電化区間へ順次転出していった。これにより、交直デッドセクションを本来の位置に移設する工事が行われ、1962年(昭和37年)3月2日から門司駅構内は全面的に交流電化となった。本来の交直デッドセクションの位置でも、下り線の旅客線と上り線の旅客・貨物線はともに関門トンネル出口付近のシーサスクロスポイント(両渡り線)付近にあるが、下り線の貨物線は上下ホームの間をさらに進んだ小倉側に設置されており、これはトンネル出口の上り勾配で列車が停止してしまった場合に、再発進しても十分加速できないままデッドセクションのために惰行しなければならなくなる危険を回避するためだとされている。
1964年(昭和39年)10月1日には、山陽本線の全線電化が完成した。このとき、東海道新幹線も同時に開業したことから、在来線の東海道本線での運用を終えた151系電車が山陽本線での運用になり、特急「はと」「つばめ」として九州まで直通で乗り入れることになった。しかし151系は直流専用であったため、電源車としてサヤ420形を連結したうえで、九州島内では電気機関車で牽引されて走ることになった。この運行は1年で終わり、交直両用の特急電車として481系電車が1965年(昭和40年)10月1日から使用されるようになった。同時に急行用の475系電車も投入されて、関門トンネルを往来するようになった。
関門海峡は、本州西端の山口県下関市と九州北端の福岡県北九州市の間にあり、西の日本海・響灘と東の瀬戸内海・周防灘を結んでいる海峡である。東側の下関市壇ノ浦と北九州市門司区和布刈間が早鞆の瀬戸と呼ばれる幅約600メートル程度の海峡最狭部であり、また西側には彦島があって、彦島と九州の間は大瀬戸、彦島と本州の間は小瀬戸と呼ばれる。小瀬戸は昭和初期に埋立工事が行われ、閘門で締め切られて、彦島と本州はほとんど地続きとなっている。
関門海峡を横断する橋やトンネルは、山陽本線(在来線)の関門トンネルのほかに、国道2号の関門トンネル、山陽新幹線の新関門トンネル、高速道路の関門橋(関門自動車道)があるが、在来線の関門トンネルのみ大瀬戸を通過しており、ほかの3経路はいずれも海峡がもっとも狭くなる早鞆の瀬戸を通過している。
在来線の関門トンネルは、高架上の下関駅を出て本州から彦島へ渡ってトンネルに入り、弟子待(でしまつ)から大瀬戸の海底下をくぐって九州側の小森江に渡り、門司駅構内で地上に出る。
シールド工法部の竣功は3月29日となった。
トンネルそのものの土木工事に引き続いて、軌道や電力、信号といった工事が実施された。坑内は温度の変化が少ないことから、レールはテルミット溶接により連続敷設された。両側のトンネル口から約246メートルは砂利道床で、中間の約3,122メートルはコンクリート道床である。
トンネル内では電気運転をすることになっていたため、下関方の幡生操車場から門司方の門司操車場までの間を、直流1,500ボルトで電化した。下関変電区と門司変電区にそれぞれ2,000キロワットの水銀整流器を2台ずつ設置し、中国配電および九州配電から受電した電力を変換して供給する構成とした。架線はシンプルカテナリ式であった。またトンネル内の照明と排水ポンプへの電源供給も行い、下関側の60ヘルツと門司側の50ヘルツの双方を切り替え可能な構成となっていた。
信号は、単線自動閉塞式で設置され、運転時隔3分を前提として信号機の平均距離を650メートルとし、トンネル内に上下それぞれ5基ずつの信号機を設置した。上り線開通後は複線となる区間であるが、その後も修理などを考慮して単線用の信号設備とした。信号機の電源は、平常時は門司方から50ヘルツ電源を受電しており、予備として下関方から60ヘルツ電源を受電して、自動的に切り替わる仕組みになっていた。軌道回路は8区分されており、最長781メートル、最短125メートルとされた。
関門トンネルは長大トンネルで急勾配という条件から、当初から直流1,500ボルトで電化されており、電気機関車が列車を牽引する形で開業した。ただし変電所が敵の攻撃で被災したときに備えて、1944年(昭和19年)にD51形蒸気機関車の入線試験が行われたことがある。またディーゼル機関車についても、1988年(昭和63年)から1991年(平成3年)にかけてDD51形ディーゼル機関車が関門トンネルを通過する貨物列車の牽引を行っていたことがある。非常時の救援においてもディーゼル機関車が使われることになっており、訓練も実施されている。
一方、旅客列車については、従来からの客車列車のほか、交直両用の421系電車が1961年(昭和36年)の九州島内の交流電化完成時から運転されるようになり、前述の山陽本線の全線電化完成後の1965年(昭和40年)以降は、さらに481系電車・475系電車など、京阪神・岡山方面からの特急・急行型の交直両用電車が投入されるようになったが、1975年(昭和50年)の山陽新幹線の全線開通で姿を消した。気動車(おもに山陰本線や九州の未電化区間へ直通する列車)もかつては関門トンネルを通過していたが、2005年(平成17年)10月1日ダイヤ改正で山陰本線から直通していた列車がなくなり、関門トンネルの気動車通過がなくなった。2009年(平成19年)3月14日ダイヤ改正で寝台特急「富士」「はやぶさ」が廃止となり、関門トンネルを通過する旅客列車は415系電車のみとなった。
関門トンネルで使用される電気機関車は2007年(平成19年)配置のEH500形までで歴代で以下の4車種がある。