日本大百科全書(ニッポニカ) 「トンネル」の意味・わかりやすい解説
トンネル
とんねる
tunnel
地表面下につくられた通路または地下空洞。隧道(ずいどう)ともいう。ただし、空洞の断面積があまりに小さく、いわゆる管に属するものは除かれる。OECD（経済協力開発機構）の国際トンネル会議では、断面積が2平方メートル以上のものをトンネルと定義している。
［佐藤馨一］
歴史
住居としてのトンネル（洞窟(どうくつ)）を別とすれば、トンネルの歴史は灌漑(かんがい)水路トンネルから始まっている。交通路としては、いまから4000年前、バビロン（現在のイラク）の川底トンネルが記録に残された最古のトンネルとされている。このトンネルは、ユーフラテス川の両岸にある宮殿と神殿をつなぐためのものであった。古代ギリシアやイタリアでは、都市へ水を供給するために水道施設の建設が盛んに行われ、大規模な水路トンネルが建設された。このことにより、イエス・キリストを処刑したティベリウス帝時代には1日80万立方メートルもの飲料水がローマ市民のために供給された。ローマ帝国はその版図を維持するために8万キロメートルに及ぶ道路網をつくったが、そこでも随所にトンネルが活用された。中世には銅、鉄、岩塩などを採掘するために多数の鉱道トンネルが掘られ、さらに墳墓用の地下トンネルが都市内に建設された。
日本では1632年（寛永9）に兼六園と金沢城に通水する辰巳(たつみ)用水が着工され、2000メートルに及ぶ水路トンネルや「伏せ越し」とよばれる逆サイホン装置がつくられた。また1666年（寛文6）には明治以前の最長水路トンネルである箱根用水（1280メートル）の工事が開始された。交通路トンネルとしては大分県耶馬渓(やばけい)にある青ノ洞門（185メートル）が有名である。豊前(ぶぜん)史によると、1735年（享保20）に掘削開始、16年後に開通したと述べられている。完成後は1人4文、牛馬は8文の通行料をとったとされ、有料道路の先例にもなっている。
トンネルは、産業革命を迎え、鉄道が陸上交通機関の主力となるにつれて重要性が増した。なぜならば、鉄道は急勾配(こうばい)の山岳地に弱く、トンネルを掘ることによって勾配の緩和を図る必要があったからである。またトンネル建設技術の改良も著しく、モン・スニ・トンネル（1857～71、13.65キロメートル）では圧縮空気削岩機が用いられた。さらにサン・ゴタルド・トンネル（1872～82、15.00キロメートル）では黒色火薬にかわってダイナマイトが使用された。大清水(だいしみず)トンネルが出現するまで約70年間、世界の長大トンネルの一つであったシンプロン・トンネルⅠ（1898～1906、19.8キロメートル）では先進導坑工法が考案された。
日本の鉄道トンネルの第1号は、大阪―神戸間にある石屋川トンネル（61メートル）である。このトンネルはお雇い外国人の設計によるものであるが、1880年（明治13）には日本人の独力により逢坂山(おうさかやま)トンネル（665メートル）を建設し、1884年には柳ヶ瀬(やながせ)トンネル（1.35キロメートル）を完成させた。なお水路トンネルとしては琵琶(びわ)湖疏水(そすい)の長等山(ながらやま)トンネル（1885～90、2.44キロメートル）が田辺朔郎(たなべさくろう)の設計監督により竣工(しゅんこう)した。地形が厳しく、しかも火山の多いわが国ではトンネル技術の改良研究が目覚ましく、笹子(ささご)トンネル（1896～1903、4.6キロメートル）、清水トンネル（1922～32、9.7キロメートル）、丹那(たんな)トンネル（1918～34、7.8キロメートル）、関門(かんもん)トンネル（1936～44、3.6キロメートル）などが続々と掘削された。また第二次世界大戦後には上越(じょうえつ)新幹線の大清水トンネル（1971～80、22.22キロメートル）や関越(かんえつ)自動車道トンネル（1973～85、10.92キロメートル）などの長大トンネルが建設された。その頂点にたつのが青函(せいかん)トンネル（1964～88、53.85キロメートル）である。ここでは海水を止めるために注入工法が開発され、1983年（昭和58）に先進導坑が貫通し、1988年に供用が開始された。
［佐藤馨一］
用途と分類
トンネルの用途は、鉄道・道路トンネルなどの交通用、水力発電・灌漑などのための水路トンネル、上下水道・電線路などの管路が大型化したトンネルなどがある。このほか、地下発・変電所、石油類貯蔵用地下空洞なども、トンネル技術を適用した地下建造物として、広義にはトンネルに含めて考えられている。トンネルは用途による分類のほかに、掘削の対象となる地質によって岩石トンネルと土砂トンネルとに分けられ、また施工場所および施工の方法によって山岳トンネル、都市トンネル、水底トンネル、開削トンネル、シールドトンネル、沈埋(ちんまい)トンネルなどに細分類される。
［河野 彰・清水 仁・鴫谷 孝］
山岳トンネル
普通、トンネルといわれるのは、山腹を貫く道路や鉄道などの山岳トンネルをさすことが多い。トンネルの断面形は、作用する地圧などに対して有利な馬蹄(ばてい)形が多用される。通常掘削されたトンネルの内面は、地圧に耐えうる厚さのコンクリートなどで被覆し、所定の内空断面に仕上げる。これを覆工(ふっこう)（ライニングlining）という。岩盤が堅硬な場合は覆工を省略し素掘りとすることもある。地質が悪い場合は、さらにインバートinvert（上に凹なアーチ形の覆工）を付して閉合断面を構成し耐荷力を増したり、地圧が強大な場合は卵形や円形断面もしばしば用いられる。
山岳トンネルの施工法は、掘削形式によってさまざまである。地質が良好な場合は掘削すべき全断面を一度に掘進することができるが、地質の変化が激しい場合や不良地質が存在する場合には、最初掘削断面の一部分を先行掘削したあとに順次所定の断面まで切り広げる方法がとられている。掘削順序によって、上部半断面先進工法、底設導坑先進上部半断面工法、側壁導坑先進上部半断面工法などがあり、地質や施工条件に応じ選択される。
トンネルの掘進は、一般に削岩、爆破、ずり（破砕された岩屑(いわくず)）搬出、岩肌の崩壊を防ぐための支保工建込みおよび覆工という一連の作業の繰り返しによって行われる。これらの作業はほとんど機械化されており、掘削、ずり出しはドリルジャンボ、高性能ずり積込み機、ずり運搬車、坑内機関車、覆工では鋼製移動型枠（スチールフォーム）、コンクリート打設用各種機械が活用され、工事の急速化、省力化が図られている。また、掘削工法は発破工法が主力とされているが、機械掘削も条件に応じ採用される。トンネル掘進機としては、ブーム式の自由断面掘進機や全断面掘進機（トンネルボーリングマシンともいう）がある。これらのトンネル掘進機は、地質に対する適用性、掘削できる断面などの点で制約があり、機械も高価であるが、条件さえよければ施工速度が高いこと、発破工法に比べて騒音や振動が少ないことなどの利点がある。
支保工に関しては古くは木製が一般的であったが、第二次世界大戦後、鋼アーチ支保工が用いられるようになった。この鋼アーチ支保工の採用により大きな作業空間の確保が可能となり、在来のトンネル工法を一変させた。また、近年ではロックボルト、吹付けコンクリート、可縮支保工などを併用し地圧と変形量を制御する新しい支保工、覆工形式がヨーロッパから導入され、用いられている。この工法は新オーストリア工法New Austrian Tunnelling Method（略してNATM(ナトム)という）とよばれているもので、日本では1970年代後半に上越新幹線建設工事で初めて本格的に採用された。この工法は、在来の鋼製支保工では支えられないような強大な地圧が作用する膨張性地山や、未固結の軟弱な地山などの不良地質の場合にも適用できる。また、従来よりも大断面の掘削ができ、大型施工機械の投入による急速施工化、省力化を図りうる可能性を有しており、その適用範囲が拡大される傾向にある。
日本における山岳トンネル工事は、その地質の特質から諸外国ではあまり例をみない施工の困難さをもっており、破砕帯、断層、湧水(ゆうすい)などの処理技術の進歩は著しい。日本アルプスを横断する最初のトンネルとして1955年（昭和30）に着工された黒四ダムに通じる大町(おおまち)トンネルでは、水頭420メートルに相当する高圧水の噴出に遭遇し、その対策として迂回(うかい)坑、先進ボーリングによる地山水排除工法を採用して破砕帯の突破に成功した。この工法は山岳トンネルでの断層湧水箇所突破の標準工法として定着している。さらに青函(せいかん)トンネル工事では、長尺水平ボーリングによる地質と湧水箇所の予知に関する研究が進み、切羽(きりは)前方の湧水箇所をかなりの確度で検出できるようになった。また、湧水を排除するかわりに、この先進ボーリング孔からセメントミルクなどを高圧注入して止水する技術も長足の進歩を遂げた。1981年（昭和56）に貫通した上越新幹線中山トンネルでは、毎分130トンに及ぶ大量の湧水が注入量10万立方メートルに達する大規模な薬液注入によって克服された。これらの技術は各地の長大トンネルの施工に大きく寄与している。
［河野 彰・清水 仁・鴫谷 孝］
開削トンネル
地表面から掘り下がり、地下所定位置に構築物を築造したのち、その上部の埋戻しを行う方法（開削工法という）により建設されたトンネルをいう。おもに都市における地下鉄、洞道、地下道路などのうち、掘削深さが比較的浅い場合に用いられている。開削工法によるトンネル断面には、ほとんどの場合、長方形の箱形トンネルが用いられ、構造材料には鉄筋コンクリートを採用するのが普通である。開削の方法としては、周辺の土砂の崩壊を防ぎ地盤の安定を保つような斜面の勾配(こうばい)をとって開削する法(のり)切り開削、土止め壁、支保工を施しながら開削する土止め開削工法などがある。また、工事中地表面の道路交通を確保する必要のあるような場合は、杭(くい)や土止め壁によって支持される横桁(けた)を架け渡し、この上に覆工板を張って覆蓋(ふくがい)する方法がとられる。これを路面覆工という。
［河野 彰・清水 仁・鴫谷 孝］
シールドトンネル
地盤内にシールドと称する強固な鋼製円筒状の外殻をもつ掘進機を推進させてトンネルを構築する工法をシールド工法という。施工法はシールドの構造によって異なるが、ジャッキ推力によりシールドを地中に押し込み切羽および周辺地山を支持しながら、シールド前端の刃口で掘削を行う。シールド後部では推進につれて鋼製または鉄筋コンクリート製のセグメントを組み立てて覆工を行い、裏込め注入を行って覆工と地山との間の空隙(くうげき)を充填(じゅうてん)する。さらに二次覆工として、セグメントによる一次覆工の内側に内巻きコンクリートを施工する場合も多い。また、セグメントを用いず現場打ちコンクリートにより覆工しながら掘進する工法もある。シールド機の種類には手掘り式、半機械掘り式、機械掘り式、泥水加圧式、土圧バランス式などがあり、補助工法としては、高圧空気を送入する圧気工法、薬液注入工法、地下水位低下工法などが用いられる。断面形状は円形が一般的で、特殊なものとしては半円形、馬蹄形、長方形、めがね形などがある。トンネル外径が2メートル程度のものから10メートル以上の大断面のものまで施工されている。
シールド工法は19世紀初めにイギリスで考案され、当初河底トンネルや湧水のある軟弱な地盤のトンネルなど特殊な条件下における工法として利用されてきた。しかし、近年、都市内のトンネル工事は、施工時の路面交通の確保、騒音・振動の問題、各種既設構造物との立体交差や近接施工の必要性の増大などからシールド工法の採用例が急増し、在来の開削工法の分野までシールド工法が広く採用される傾向にある。
［河野 彰・清水 仁・鴫谷 孝］
沈埋トンネル
沈埋工法は河川、運河、港湾などを横断して水底にトンネルを建設するための工法で、建設するトンネルの構造体を適当な長さに分割して陸上のドライドックや造船台で製作し、このトンネルエレメントを水上に浮かべて現場まで曳航(えいこう)し、あらかじめ浚渫(しゅんせつ)した溝（トレンチ）の中に沈設し、これを順次接続してトンネルを建設する工法である。
沈埋工法は19世紀末にボストン港で初めて施工され、以降アメリカおよびヨーロッパを中心にしだいに発展し、現在では世界各国で数多くの沈埋トンネルが建設されている。日本では、小規模ながら古くは安治川(あじかわ)河底トンネル（1944）があり、その後、道路、鉄道、モノレール、水路、ガス配管トンネル、ベルトコンベヤートンネルなど種々の用途の沈埋トンネルが各地で完成している。
沈埋トンネルの構造は、ヨーロッパを中心に発達した長方形断面の鉄筋コンクリート構造と、アメリカで多用されている円形あるいは小判形断面で鋼殻を有するものとに大別され、いずれもプレハブ形式である。また、一部にはプレストレストコンクリート構造も採用されている。断面寸法で最大級のものとしては、E3シェルデトンネル（ベルギー）、E3エルベトンネル（ドイツ）、東京港海底トンネル（日本）などがあり、東京港海底トンネルの場合、上下各3車線を有し、トンネル総幅員は約37メートルに達する。施工水深は一般には40メートル程度までであるが、施工技術や沈設機械などの向上とともに施工可能水深も順次拡大される傾向にある。
［河野 彰・清水 仁・鴫谷 孝］
ニューマチックケーソン工法
ニューマチックケーソン工法によるトンネルの施工は、一般にケーソン躯体(くたい)を地上部に配列し、これを順次、所定の深さまで沈設し、相互の躯体を連結してトンネルを構成する。ニューマチックケーソン工法はドライで掘削が行えること、地盤強度の確認が確実に行えることなどにより、河底横断や軟弱地盤、あるいは既設構造物への近接施工などを要求されるトンネル工事に施工例が多い。また、沈埋トンネル両端の接続部や水路トンネルの取放口、シールドトンネルの立坑など、トンネル工事の一部にニューマチックケーソン工法を用いる場合も多い。
［河野 彰・清水 仁・鴫谷 孝］
地下空洞掘削
地下発電所などの地下空洞の掘削例は国内外とも比較的多いが、近年大容量揚水式発電所が出現するに及んで空洞規模は飛躍的な拡大をみている。地下空洞掘削の設計・施工法は、本質的には一般の山岳トンネル工事と異ならないが、空洞規模が大きくなると掘削による地山への影響が顕著に及ぶので、通常の場合以上に事前の調査、予測および施工の信頼性と確実性が必要とされる。
建設地点の地質は堅硬緻密(ちみつ)な安定した岩盤であることが要求されるが、ロックボルト、岩盤PS（プレストレス）工、コンクリート吹付けなどの施工技術の進歩と岩盤力学の新しい知識を加えて、ある程度不良の地質条件においても安定した大空洞を掘削できるようになってきた。さらに、施工目的としても、石油、液化天然ガスの地下貯蔵や、原子力発電所の地下化など、種々のものが実施あるいは計画されている。
［河野 彰・清水 仁・鴫谷 孝］
笹子トンネル（明治時代）
地質によるトンネルの形状
山岳トンネルの掘削形式
開削トンネルの工法（開削工法）
シールドトンネルの工法（シールド工法）
沈埋トンネルの工法（沈埋工法）
青函トンネルの工事概要