トンネルの両端を同時に建設する場合、位置合わせの問題をどのように解決すればよいでしょうか?

制作 |科学普及中国

著者 |ジン・ボー（地質エンジニア）

プロデューサー |中国科学博覧会

8月17日、広西チワン族自治区環江茅南自治県にある桂南高速鉄道九万大山第4トンネルが無事に開通した。現時点では、貴南高速鉄道沿いの108本のトンネルすべてが開通している。建設中の貴陽・南寧高速鉄道は、わが国の「八縦八横」高速鉄道の主要航路である包頭・海口航路の重要な一部である。設計最高速度は時速350キロメートルで、全線が2023年末までに開通する予定だ。

ドローンカメラで撮影した貴南高速鉄道橋とトンネル |画像提供：新華社

中国は高速鉄道や高速道路などの交通プロジェクトの建設により、世界で最も多く、最も複雑なトンネル・橋梁プロジェクトを抱える国となり、2万本以上のトンネルと100万以上の橋を建設しており、その中には長さ3キロメートルを超える超長大トンネルも数多くある。では、数十キロメートルにも及ぶこれらのトンネルは、どのようにしてこれほど正確に建設されるのでしょうか?

計測：トンネルが予定通りに完成するかどうかの鍵

トンネルの成功は、調査、設計、施工、監督、検収など、トンネルプロジェクト全体のすべての部門の協調した努力の結果です。測量部門は、トンネル工事の位置と形状の精度を管理する責任を負います。トンネルが予定の位置通りに掘削できるかどうかは、計測が核心であることは間違いありません。一般的に、トンネルの測定は、トンネルの姿勢を確保するために平面と標高の 2 つの側面に分けられます。

測量作業はプロジェクト全体の準備段階から始まり、測量部門はこの時点で該当路線の周辺地形状況を道路設計部門に提供する必要があります。これにより、最終的にトンネルを建設するかどうか、トンネル開口部の位置などが決定されます。トンネルの設計段階が完了し、建設段階が始まると、土工作業を行う前に測定が行われます。

工事チームはまず、工事区域内に測量管理ネットワークを設置します。これは、国家測量地図管理ネットワークと工事区域内の測量地図管理点を連結する役割を果たし、工事管理ネットワークの構造強度に基づいて、工事区域内の測定結果の精度を決定します。簡単に言えば、正式な建設の前に、作業エリアの周囲にいくつかの特別なポイントを設定する必要があります。それらの配置は、作業エリアでの迅速な測定のニーズを満たすだけでなく、建設による影響が可能な限り少なくなければなりません。これらのコントロール ポイントは、国のベンチマークを介して接続され、対応する位置を測定します。以降のすべての測定作業は、これらの特別なポイントに基づいて開始（計算）および終了（検証）されます。

高精度の測定には高度な測量およびマッピングツールが必要

施工管理ネットワークの構築後、それに応じた施工レイアウトを実施します。レイアウトは、大工さんが墨で線を引いたり、家を飾るときに線を引いたりするのと同じです。工事チームが工事を進める上で指導する仕事です。トンネル掘削の過程では、掘削の方向を示し、トンネルの中心線とウエストラインをマークする必要があります。これは、いわゆる「方向があるところにトンネルを掘る」という、トンネル建設の境界を定義します。しかし、トンネルの特殊な環境により、厚い岩壁を電磁波が透過しにくく、現代の計測で最も一般的に使用されているRTK（リアルタイムダイナミックディファレンシャルテクノロジー）などのGPS計測方法は使用できません。一般的に、平面測定や水準測定にはトータルステーションなどの光電測定機器が使用されます。

トンネル内で使用されるトータルステーション |画像出典: 著者

トータルステーションは、光が直線的に進むという原理に基づいて設計されています。実際の作業では、トンネル内の粉塵の影響により測定誤差が生じる場合があります。同時に、機器の操作はスタッフによって完了する必要があるため、理論上はさまざまなエラーを回避することはできません。しかし、複数の測定、調整計算、トラバース ネットワークまたは三角測量ネットワークの合理的なレイアウトと、新しいトータル ステーションの計算能力および高度に自動化された光学機器を組み合わせることで、迅速な調整計算を実行できます。現代のトータルステーションでは、光学スケールを光電走査スケールに置き換え、手動の光学マイクロメータの読み取りを読み取り値の自動記録および表示に置き換えているため、結果として生じる誤差は最終的に非常に小さくなり、1キロメートルあたり数センチメートルまたは数ミリメートルに達します。

トンネル工事での利用が増え、効率化が進んでいるTBM（トンネル掘削機）には、工事機器が設計どおりに作業を進めることができるようにレーザーターゲット補正機能が搭載されています。

超長距離トンネルで蓄積された誤差をどうするか？

では、超長大トンネルを建設すると、距離が伸びるにつれて誤差が蓄積されていくのでしょうか？理論的にはこのような状況は発生しますが、超長大トンネルを建設する場合、長さが長くなるにつれて、計測誤差が蓄積される速度よりも、工学的難易度と建設コストが増加する速度の方がはるかに高くなります。そのため、建設には長いトンネルと短いトンネルの一般的な方法が選択されます。つまり、長いトンネルを短いトンネルに分割するために、トンネル内に水平トンネル、斜坑、垂直坑道が建設されます。このような工事計画は、工事費は増加するものの、トンネル工事期間の短縮や、工事中の換気・排水条件の改善といったメリットも得られる。建設過程で掘削された垂直および傾斜立坑は、トンネル完成後に換気立坑、防火通路、保守・緊急通路としても機能し、トンネル全体の安全率を向上させます。

例えば、我が国は世界最長の高原トンネルである青蔵鉄道の西寧からゴルムドまでの区間と関角トンネルを完成させており、その総延長は32,690キロメートルです（トンネル入口標高は3,380.75メートル、出口標高は3,324.05メートル）。厳しい施工条件のため、高原の気候に適応するために、斜坑分割空気ダクト技術を採用しました。つまり、10本の斜坑が主トンネル工事を補助し、空気供給を大幅に増加させ、高高度、長距離、多切羽工事のニーズを満たしました。

関角トンネル線路工事概略図 |画像出典: 著者

それだけでなく、トンネル掘削が進むにつれて、完成した区間も監視と計測検証の対象になります。設計ルートからの逸脱が見つかった場合は、すぐに修正されるため、最終的には人差し指を合わせるよりもはるかに高い精度で設計どおりにトンネルが完成します。そのため、現代のトンネル建設の過程では、トンネルが逸脱するというニュースはまったくありません。

過去には、トンネル建設では両端が一致しませんでした。

もちろん、対応する測定プロジェクトがなければ話は別です。計測技術は応用数学技術として、計算科学や光電磁気技術の進歩とともに急速に発展し、ほぼ10年ごとに技術が更新されています。

20 世紀初頭、人類は何世紀にもわたって開発されてきたセオドライトなどの測量・地図作成ツールをまだ使用していましたが、その測量の効率と精度は非常に低いものでした。当時のトンネル技術が未熟であったことに加え、トンネル建設において要求される制御および測定精度を達成することが困難であったことも重要な理由でした。したがって、初期の路線設計では、トンネルとして設計するよりも、むしろ長いルートを取ることになります。そのため、前世紀の前半には鉄道や曲がりくねった山道の開発が極めて活発でした。さらに、これら2つの登山形態は、ほとんどが険しい山や深い谷に築かれるため、その周囲は美しく雄大であり、重要な景観となることが多いです。しかし、橋やトンネルの技術の発達により、この交通手段はますます一般的ではなくなり、徐々に姿を消しつつあります。

成昆鉄道楽霧区間の風景 |画像出典: 著者

また、トンネル工事が避けられない場合には、開削工法や覆工工法を採用したり、天窓のみを開けるといった方法もあります。これらの中で最も有名なのは壁に設置された高速道路です。名前に「高速道路」という言葉が含まれていますが、実際にはトンネルの一種です。これらの方法では土石の使用量が増え、建設コストが増加しますが、修正は比較的単純で操作も容易であり、非常に単純で基本的な測定ツールで測定要件を満たすことができます。

トンネルを建設しないことを選択すると、地表を直接観察でき、建設の難易度をある程度軽減できますが、プロジェクト自体に大きな制限があります。また、直線のみでトンネルを設計することで、測定能力が優れていなくても貫通の難易度が下がり、許容率が比較的大きくなります。これまでのトンネル工事では、主に片側掘削が採用されており、工期は長くなるものの、トンネルのドッキングの問題は解消されていました。上記の方法はすべて、初期の道路建設において重要な役割を果たしました。

景堤の断崖に張り付いた道は、ナイフと斧を一本ずつ使って手作業で切り開かれた。 |画像出典: 著者

中国はインフラ建設において次々と不可能なことに挑戦してきた。中国のエンジニアはさまざまな困難な問題を解決するために研究と突破を続けており、これは中国の強固なインフラの実力と粘り強さを十分に証明しています。

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