海底に道路を築く
2020年12月27日、香港に新たな交通路が開通した。屯門〜赤鱲角連絡路の北側接続道路は海底を貫き、新界北西部と香港国際空港、そして港珠澳大橋を結んだ。このプロジェクトの中核を担ったのが、ヘレンクネヒト製の泥水式シールド掘進機「S-880」、秦良玉（チン・リャンユ）号だ。シールド直径は17.63メートルで、現在もギネス世界記録に「シールド直径が世界最大のトンネル掘進機」として登録されている。全長はサッカー場より長く、ほとんどの船より重いうえ、通常の機材なら押しつぶされるほどの圧力下で稼働できるよう造られた。掘削したトンネルは、香港で最も深く、長く、幅の広い海底道路トンネルとなった。全長9キロの道路の一部で、事業費は約182億香港ドル（約23億米ドル）に上る。
目次
このプロジェクトは、記録を塗り替えることだけが目的ではなかった。陸路、海路、空路の接続改善を必要とする都市の課題に応えるものだった。全長約5キロの海底トンネル2本を、航路や軟弱な海底泥、沿岸の繊細な生態系の下に通す必要があった。従来の工法でこの規模のトンネルを建設すれば、大規模な浚渫や海上交通への影響、環境を巡る長年の対立を招くおそれがあった。そこで採用されたのが、掘削しながら地盤を安定させ、トンネルの覆工を設置できるドイツ製の掘進機だった。
なぜこれほど巨大な機械が必要だったのか
シールド直径17.63メートルという選択は、技術者の野心だけでなく、地盤条件そのものから導かれた。屯門と赤鱲角の間の海底には、厚さ最大30メートルの海成堆積物や沖積粘土が堆積している。これらの地盤は極めて軟弱で水分を多く含み、トンネル掘削を不安定にする。場所によっては岩盤が海面下約90メートルにある。従来型のトンネル掘進機では、湧水や地盤崩壊への対応が難しい。このプロジェクトには、泥水と圧縮空気を制御しながら掘削面の圧力を均衡させる泥水式シールド工法が必要だった。
大きさは交通需要によっても決まった。計画されたトンネルは、各方向に高速道路の2車線を通し、安全空間、換気ダクト、電気設備、保守用通路を確保するため、内径15.6メートルが必要だった。トンネル掘進機は前進しながらプレキャストコンクリートの覆工セグメントを設置するため、トンネルの外径は内径より大きくなる。覆工リングの厚さに、テールスキンやカッターヘッドの寸法を加えると、必要なシールド直径は17.63メートルに達する。地下で高さ約6階建ての建物が回転するような規模だ。秦良玉号は、この構造に合わせて正確に設計された。
泥水式シールドが海底地盤を抑える仕組み
トンネル掘進機はしばしば巨大なドリルと説明されるが、S-880はむしろ移動する潜水艦工場のように働いた。前部では、回転するカッターヘッドが掘削面の土砂や岩を削り取る。その後方には、ベントナイト泥水と呼ばれる粘土状の濃い液体で満たされた掘削チャンバーと、圧縮空気の層がある。泥水が掘削面を押さえ、海水や泥が機内に流れ込むのを防ぐ。泥水の上にある圧縮空気によって、作業員は圧力を細かく調整できる。カッターヘッドが前進すると、掘り出された土砂は泥水と混ざり、パイプラインを通じて地上の分離プラントへ圧送される。そこで土粒子を取り除き、浄化したベントナイトを地下へ戻す。
機械前部が地盤を押さえる一方、後部ではトンネルの覆工が設置された。ロボット式セグメント組立機が曲面のコンクリートセグメントを持ち上げ、リング状に組み立ててトンネル壁面を形成する。各リングが周囲の地盤を支え、後に道路や照明、換気設備を収める滑らかな円筒形の空間を作る。この作業では、圧力管理、ポンプ、泥水の性状、油圧推進、セグメント搬送、測量のすべてを連動させる必要がある。一つでも滞れば、全工程が停止する。この統合方式により、一台の機械が完全な生産ラインとして機能した。
海底作業を襲う強烈な圧力
掘削面の静水圧は最大5バールに達し、海面での大気圧の5倍に相当した。水深約50メートルでダイバーが受けるのと同程度の圧力だ。香港政府新聞網の公式報告書は、現場の状況を次のように記している。
屯門・赤鱲角トンネルの最深部は海面下約60メートルに位置し、専門の高気圧作業員は地上のほぼ6倍の圧力に直面した。
カッター面の圧力を維持しつつ作業員の安全を確保するため、S-880にはエアロック室が設けられた。密閉された区画を使い、作業員は通常の大気圧から加圧された掘削チャンバーへ段階的に移動できる。カッター工具の保守、点検、修理には、訓練を受けた作業員が加圧区域に入り、厳格な高気圧作業の手順に従い、減圧症を防ぐためゆっくり減圧する必要があった。作業時間には制限があり、医療面での監督も求められた。こうした条件により、通常のトンネル保守作業は潜水作業さながらとなった。
地上に戻らずに直径を変える
プロジェクトで最も異例の工程は、最初の650メートルを掘削した後に訪れた。北側の取付部では直径17.6メートルのトンネルが必要だったため、秦良玉号は当初、最大径で掘進を開始した。その区間の後は、残る海底ルートを直径14メートルで建設できた。機械を地上に引き上げて2台目の掘進機を投入する代わりに、技術者たちはS-880をトンネル内で改造した。直径17.6メートルのシールド外部部品を取り外し、内部システムを再構成したうえで、新たな直径14メートルのシールドを、機械が海底下にとどまったまま取り付けた。
トンネル内でシールドを縮小する工法は極めて珍しい。作業は海水圧のかかる場所で、限られた空間と自然光の届かない環境のもとで行う必要があった。改造を終えると、同じ機械がトンネルの残りを掘り進み、別の直径14メートルのヘレンクネヒト製掘進機と並行して作業した。2台が貫通したのは2019年2月27日。直径17.63メートルの区間は2015年3月25日から11月3日にかけて掘削され、その後、改造が行われた。この工法は、1回の掘進で異なるトンネル径が必要となる将来のプロジェクトにも応用できる技術革新として記録された。
連絡坑の革新
通常、2本のトンネルを持つ道路トンネルには、避難や保守のために2本の主トンネルを結ぶ小規模な連絡坑が必要となる。屯門〜赤鱲角連絡路では57本の連絡坑が必要で、その位置の圧力は5.8バールに達した。これは、加圧チャンバー内の作業に専門ダイバーの起用をヘレンクネヒトが推奨する基準値、3.6バールを上回る。海底トンネルで用いられる従来工法の一つに、地中の水を凍らせて地盤を安定させる凍結工法がある。しかし、軟弱で水分を多く含む海底粘土では、時間がかかるうえ、リスクも高い。
そこでチームは、直径3.6メートルの小型泥水式トンネル掘進機を採用した。こうした高圧下で連絡坑を建設するのは世界初だった。小型機が2本の主トンネルの壁を掘り進む間、周囲の泥水システムが圧力を制御した。この方法により、凍結工法が不要となり、工期を短縮できた。また、海水、軟弱な粘土、極度の圧力が重なる危険な作業環境でのリスクも抑えられた。
掘進速度、受賞、環境面の利点
複雑な工事にもかかわらず、S-880は速いペースで掘進した。1日の最大掘進距離は30メートル、週間記録は167.2メートルに達した。こうした数値は機械の力だけでなく、コンクリートセグメント、ベントナイト、交換部品を絶え間なく供給するための物流調整力も反映している。米国機械学会は、この機械の出力が5,600キロワットであり、水分を多く含む地盤や岩盤で1日約30メートル掘進できると記録している。
このプロジェクトは、施工中に用いられた技術革新が評価され、国際トンネル協会から2019年のITAトンネル賞を受賞した。ほかにも、北側取付部で採用されたキャタピラー式締切システムが受賞対象となった。これは極めて軟弱な地盤で、従来の地中連続壁に代わる工法を提供した。環境面での効果も同じく重要だった。香港の路政署は技術解説の中で、次のように述べている。
従来の沈埋トンネル工法に代えてトンネル掘進機を用いたことで、約1,100万立方メートルの海底堆積物の浚渫と処分を削減できた。これは標準的なプール約4,900個分の容量に相当し、シナウスイロイルカなどの海洋生物への影響を抑えるのにも役立った。
同じ公式資料によると、この工法はアームストン・ロードの大型船舶の航行への影響を抑え、空港に電力を供給する既存の海底電力ケーブルを迂回させる必要もなくした。北側接続道路は2020年12月27日に開通した。南側接続道路はそれに先立ち2018年に供用を開始し、道路網を港珠澳大橋の広域ネットワークにつないでいた。
今なお時代を象徴する記録
S-880秦良玉号は、あらゆる技術指標で最も高性能な機械というわけではなくなった。近年は中国や各国で、より大きな推力や高度な自動化、異なるカッターヘッド設計を備えたトンネル掘進機が登場している。それでもギネスは、シールド直径の記録保持機として秦良玉号を認定しており、この機械が完成させたプロジェクトも並外れたものだ。これほどの大口径、深海底の高圧環境、トンネル内でのシールド縮小を、一度の連続した掘進で組み合わせた機械はほとんどない。
この機械は、沿岸都市のインフラ建設が大きく変化していることも示している。港や空港、大都市圏の過密化が進むなか、計画担当者は新たな交通路を地下や水底に求めている。S-880のような巨大機械を使えば、従来工法より地上への影響や浚渫を抑え、生態系への負荷を減らしながらルートを建設できる。費用がかさみ、エネルギーを大量に消費し、高度な技術も求められるが、海岸線をさらに工事現場で覆うことなく輸送能力を増やす手段となる。
秦良玉号の名は、1574年に生まれ、勇気と忠誠心で知られた明代の中国の将軍にちなんでいる。大型トンネル掘進機に女性の名前を付ける長い地下工学の伝統に沿った命名で、その慣習は19世紀までさかのぼる。そういう意味で、この機械は歴史と未来の双方を、香港の地下の岩盤へと運んだ。
要点
- ヘレンクネヒト製の泥水式シールド掘進機S-880秦良玉号は、シールド直径17.63メートルで、ギネス世界記録に「世界最大のトンネル掘進機」として登録されている。
- 同機は、2020年12月に開通した屯門〜赤鱲角連絡路の全長5キロの海底道路トンネル2本を掘削した。
- 事業費は約182億香港ドルで、現在は香港で最も深く、長く、幅の広い海底道路トンネルとなっている。
- 泥水式シールド工法ではベントナイト泥水と圧縮空気を使い、軟弱で水分を多く含む海底地盤の圧力を制御した。
- 最大5.8バールの圧力下で作業が行われ、保守作業員には高気圧作業の手順とエアロック室が必要だった。
- 技術者はトンネル内で機械の直径を17.6メートルから14メートルに縮小した。これは極めて珍しいトンネル内でのシールド縮小工法だ。
- 直径3.6メートルの小型泥水式掘進機が高圧下で57本の連絡坑を建設した。業界初の取り組みだった。
- このプロジェクトは浚渫量を約1,100万立方メートル削減し、海洋生物や航路への影響を抑えた。
