原題は『Tunnel Engineering: A Museum Treatment』、著者は Robert M. Vogel です。
例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに感謝いたします。
図版は省略しました。
索引が無い場合、それは私が省いたか、最初から無いかのどちらかです。
以下、本篇です。（ノー・チェックです）
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「トンネル工学：博物館的扱い」の開始 ***
これはスミソニアン協会の米国国立博物館紀要 240 の論文 41 で、論文 34 ～ 44 で構成されており、完全な電子書籍としても入手可能です。
各単紙電子書籍には、Bulletinの表紙資料、序文、および関連索引項目が含まれています。
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スミソニアン協会
アメリカ国立博物館
紀要 240
スミソニアンプレスのロゴ
スミソニアンプレス
歴史技術博物館
歴史 技術 博物館
からの寄稿
論文34-44
科学技術について
スミソニアン協会 · ワシントン D.C. 1966
アメリカ国立博物館の出版物
米国国立博物館の学術・科学出版物には、「米国国立博物館紀要」と「米国国立博物館紀要」の 2 つのシリーズがあります。
このシリーズでは、当博物館は、構成博物館である自然史博物館と歴史技術博物館のコレクションと活動に関するオリジナルの論文とモノグラフを刊行し、人類学、生物学、歴史学、地質学、そして技術の分野における新たな知見を紹介しています。各出版物は、図書館、文化・科学機関、そして各分野に関心を持つ専門家やその他の人々に配布されています。
1878年に刊行が開始されたこの紀要は、自然史博物館の短い論文を別冊として出版することを目的としていました。これらの論文は八つ折りの巻にまとめられており、各論文の出版日は巻末の目次に記載されています。
1875年に最初の刊行が始まったBulletinシリーズには、モノグラフ（場合によっては複数部構成）と関連分野の著作を収録した巻からなる、より長い独立した出版物があります。Bulletinのサイズは、提示の必要性に応じて八つ折りまたは四つ折りのいずれかです。1902年以降、自然史博物館の植物コレクションに関する論文は、Bulletinシリーズの「米国国立植物標本館からの寄稿」というタイトルで出版されており、1959年以降は、 「歴史技術博物館からの寄稿」というタイトルのBulletinに、同博物館のコレクションと研究に関する短い論文が集められています。
本稿集（論文34～44）は、Bulletin 240に収録されています。これらの論文はそれぞれ、以前に別々に出版されています。出版年は各論文の最終ページに記載されています。
フランク・A・テイラー
アメリカ国立博物館館長
[201]
歴史技術博物館からの寄稿。
論文41
トンネル工学―博物館展示
ロバート・M・ヴォーゲル
導入 203
岩盤トンネル工事 206
軟弱地盤トンネル 215
書誌 239
脚注
索引
[202]
図 1.—初期ヨーロッパ文明における採鉱。火起こしと手作業によるノミが鉱石や岩石の採掘に使われていました。MHT モデル — 3/4 インチ スケール。(スミソニアン写真 49260-H)
[203]
ロバート・M・ヴォーゲル
トンネル工学—博物館展示
1830年から1900年にかけて、トンネル工事の分野では大きな発展が見られ、今日では土木工学の重要な分野として確固たる地位を築いています。本稿では、新設された歴史技術博物館の土木工学ホールのために製作された一連の模型に基づき、トンネル工事の発展を歴史的観点から概観します。ここに紹介する8つの模型は、原始人が鉱山採掘において初めて火を体系的に岩石の掘削に用いた時から、19世紀末に水中トンネルにおいて圧縮空気、鉄製のライニング、可動式シールドを組み合わせて使用するまでの間に起こった根本的な進歩を浮き彫りにしています。
著者:ロバート M. フォーゲルは、スミソニアン協会歴史技術博物館の重機および土木工学部門の学芸員です。
導入
W
土木工学は、ごくわずかな例外を除き、様々な自然条件や人為的条件に基づいて科学的に導き出された計画に基づき、材料を有用な構造物へと組み立てることを究極の目標とする分野です。これは、例えばダム、建物、橋梁、あるいは鉄道の固定設備など、どのようなものであっても当てはまります。しかし、この分野の主要な分野の一つは、全く異なる概念に基づいています。トンネル工学においては、「構造物」の有用性は、要素を組み合わせることではなく、自然に存在する材料の一部を他の部分から分離することで、かつて障壁となっていた通路を通過させることから生まれます。
硬くて堅い岩盤を掘削する場合、実質的にこれが作業の全範囲となります。つまり、岩盤を母岩から分離し、同時に掘削場所から除去することです。軟弱地盤のトンネルでは、上空で自力で支えられない岩盤を掘削するため、条件は正反対になります。 [204]トンネル開口部。ここでは、トンネル内の土砂の掘削は比較的重要ではなく、周囲の土砂が孔内に崩落するのを防ぐという問題の方が重要視されます。
図2.—フーサックトンネル。 プロジェクトの初期段階における作業方法。発破孔は手押しジャッキングで掘削された。MHTモデル—1/2インチスケール。(スミソニアン写真49260-L)
トンネル工学は、もう一つの重要な点において、土木工学の関連分野とは大きく異なります。トンネル工事ほど不確実性を伴う物理的な取り組みは他にほとんどありません。これは山岳トンネルにおいて特に顕著で、材料の性質や地質条件を確定するための試掘調査を行うことがしばしば不可能です。
トンネル工事の進行には、全体的な事前調査は行われません。技術者は、すべての土木工事に共通する一般的な偶発事象を予測できないという問題だけでなく、その作業の根幹にかかわる特異で、しばしば圧倒的な予測不可能性にも直面します。
一方、水中および軟弱地盤での作業は、依然として多くの不確定要素に左右されるものの、初期の頃に比べるとはるかに予測しやすくなりました。これは、最終的に支配的な悪条件の性質が極めて予測可能であると理解されたためです。掘削された区域を埋め戻すために土砂と水が絶えず加える圧力は、今日ではトンネル掘削者によって比較的容易かつ安定的に克服されています。
土木工学の他の分野と同じく、トンネル工事においては、経験主義が科学理論の進歩にこれほど長く抵抗した分野は他に類を見ない。また、プロジェクトの成否を左右する鍵を握る存在として「実務技術者」がこれほどまでに重要視された分野も他に類を見ない。フーサックトンネルは、25年間にわたる立法、財政、技術上の困難を経て、1875年にようやく成功裡に完成に至った。その成功は、大半が訓練を受けた土木技術者であったものの、それ以上に卓越した実務能力を持ち、事務職よりも現場に強い人材であったグループの努力によってのみもたらされた。
デウィット C. ハスキン ( 234 ページ参照) は、1880 年に彼が建設した空気圧式ハドソン川トンネルの爆発事故で数人が死亡した後の審問で、自らを弁護して次のように述べた。「私は科学的な技術者ではなく、実践的な技術者です…数学については何も知りませんが、経験上、そのような事柄は全体として理解しています。その種の作業 (トンネル工事) における数学の研究は、精神を啓発するよりも、むしろ矮小化する傾向があると確信しています…」。これは極端な態度かもしれないし、ハスキンの名声を高めるものでは決してないが、当時のトンネル工事では珍しいことではなかった。もちろん、ヘルマン ハウプト、父ブルネル、グレートヘッドのような人々が優れた理論技術者ではなかったと示唆するのは公平ではないだろう。しかし、現場と工事の全体的な物理的条件を評価し制御する彼らの生来の能力があったからこそ、彼らはトンネル工学の発展に大きく貢献することができたのである。
トンネル工事は、ごく小規模な工事を除いてほとんどが数学的解析によって設計されていた時代をはるかに過ぎても、数学的解析の領域からほぼ独立したままでした。したがって、構造工学は新たな理論的概念、改良・強化された新材料、そして新たな締結方法の出現によって進歩してきましたが、トンネル工学の進歩は、建設技術の継続的な改良によるところが大きいのです。
新しい土木工学ホール
歴史技術博物館には最近土木工学ホールが設立されました。 [205]トンネル工学を歴史的観点から包括的に扱う本展は、アメリカの博物館ではこれまで行われていなかったものです。本展の目的は、トンネル工事の歴史全体を網羅的に概説することではなく、原始人が鉱山で岩石を掘削するために初めて体系的に火を用いた時から、19世紀末に水中トンネルにおいて圧縮空気、鉄製のライニング、可動シールドを組み合わせたものを使用するまでの間に生じた根本的な進歩を示すことです。この終了時期が選ばれたのは、最も集中的な発展が見られ、トンネル工事が土木工学、ひいては近代文明において確固たる地位を築き重要な分野となった1830年から1900年頃の時期であったためです。現代のトンネル工事技術については、現在入手可能な文献で十分に解説されているため、本展では、あまり扱われていないこの分野の歴史の一部分にのみ焦点を当てる方がはるかに有益であると判断されました。
図3.—フーサックトンネル。バーレイ社製の空気圧ドリルを台車に搭載し、後期段階の掘削作業を行っている 。ニトログリセリンによる発破の準備として、トンネル底部の掘削が行われている。MHT模型—1/2インチ縮尺。(スミソニアン写真 49260-M)
すでに理論ではなく技術の進歩として語られている主要な進歩は、極めて自然に 2 つの基本的な分類に分けられます。1 つは、緩く不安定で圧力をかける物質の塊を支える軟地盤トンネル掘削、もう 1 つは、開口部が強制的に開けられる際に自身の圧倒的な重量を支えることができるほど堅く固体である岩石を基礎の塊から分離するという正反対の問題である岩石または硬地盤トンネル掘削です。
一連の作業を包括的に展示し、専門家ではない鑑賞者にも魅力的で、容易かつ正確な解釈を可能にするためには、模型が唯一の合理的な提示手段でした。選ばれた6本のトンネルはすべて19世紀に掘削されました。それぞれのトンネルは、トンネル掘削技術における根本的かつ新しい概念、あるいはその初期の重要な応用例を象徴しています。これらの工事の模型が展示の基盤となっています。展示対象をアメリカ国内のプロジェクトに限定することは全く試みませんでした。実際、トンネル技術の正確な全体像を描こうとすれば、これは全く不可能だったでしょう。なぜなら、他のほぼすべての技術分野と同様に、この分野の発展は国際的なものだったからです。採鉱技術は中世のゲルマン諸国で高度に発達しました。トンネルシールドはイギリス在住のフランス人によって発明され、水中トンネルから水を排出するための圧縮空気の使用は、アメリカ人による大規模工事で初めて導入されました。さらに、岩盤トンネルと軟弱地盤トンネルという2つの主要な区分は、それぞれ実際の作業ではなく、比較的最近になってより効率的な土留めと岩盤破砕システムが開発されるまで何世紀にもわたって使用されていた初期の古典的工法を典型的に表す模型によって紹介されています。8つの模型シリーズ全体を通して、細部の正確さに特に注意を払っています。可能な限り、説明と図解に関するオリジナルの情報源を参考に作成しました。初期文明における銅鉱山を描いた岩盤トンネルシリーズの入門用模型を除き、これらの情報源はすべて当時の記録です。
鑑賞者の理解を容易にするために、全体にわたって均一な縮尺を使用する計画は、残念ながら現実的ではありませんでした。模型によって覆う面積が大きく異なり、また模型を収めるケースの高さも均一にする必要があったためです。ブロードウェイとタワー地下鉄の関連模型は、直径8フィート程度の短いトンネル区間を表わしており、1フィートあたり1.5インチという比較的大きな縮尺を使用できました。一方、ブルネルのテムズトンネルの模型を最も効果的にするためには、 [206]建設に使用された垂直の末端竪坑の一つを組み込む必要がありました。この竪坑の深さは約60フィート（約18メートル）だったため、1フィートあたり1/4インチ（約1.2メートル）というはるかに小さな縮尺が採用されました。この縮尺の違いは、各模型の人物像が、その比率とスケール感を即座に明確に示してくれるため、想像するほど分かりにくいものではありません。
模型の内部照明には細心の注意が払われました。これは、模型で可能な限り、人工照明のみで行われた作業の雰囲気を説得力を持って再現する上で重要な要素の一つであったからです。フーサックトンネルの鉱夫の帽子の上のろうそくやテムズトンネルのガス灯など、トンネルの小さな光源に光を導くためにプラスチック製の棒を使用することで、驚くほどのリアリティが実現されました。通常、このような場合に使われる特大の豆電球は使用されていません。作業の自然な雰囲気を再現するためにトンネル内の全体照明を低く抑えた箇所がいくつかあり、隠しランプを押しボタンで操作することで、そうでなければ見えなかった細部を浮かび上がらせています。
博物館のトンネルセクションの残りの資料は、トンネル工事の二つの主要な側面をさらに詳しく解説しています。紙面の制約上、トンネル工学に不可欠な多くの興味深い付随事項、例えば地下測量特有の問題、長い山岳トンネルにおける三角測量とそれに続く掘削誘導に求められる極めて高い精度、掘削中および供用中における長い坑道の換気に関する困難な問題、そして従来とは異なる方法でトンネルを掘削・建設するために長年にわたり開発されてきたいくつかの主要な方法については扱うことができませんでした。 [1]
岩盤トンネル工事
軟弱地盤におけるトンネル掘削技術の起源は比較的新しいものですが、岩盤掘削技術は古代に深く根ざしています。しかし、その発展の軌跡は必ずしも一直線ではなく、より論理的には、密接に関連する技術分野である鉱業へと辿り着いたものです。鉱業技術の発展は実質的に途切れることなく続いていますが、18世紀頃以前に行われた地中掘削のための数少ない作業の間には、連続性や関連性はほとんど見られません。
エジプト人は、有史以来初めて、堅い岩に、しばしば相当な規模の開口部を掘削した民族である。この国の主要な事業のすべてに言えることであるが、これほど大規模な掘削が可能だったのは、尽きることのない人力と、人生に対する軽率な評価に他ならない。ナイル渓谷の岩盤から掘り出された墓や寺院は、技術力というよりも、むしろ不屈の精神の証である。エジプト人も、中世以前のいかなる民族も、開口部より上は堅い岩のように自立しない地面を掘削できたという一貫した証拠を残していない。エジプトでは、17世紀に初めて火薬を使った発破法が用いられるまで、古典的な手法として残されることになる岩石破砕法が確立された。この発破法は、その後の採鉱技術の基礎となった。
初期の岩石掘削を促した宗教的動機にも関わらず、歴史を通じてより不変かつ普遍的な動機は、地表下に眠る有用かつ装飾的な鉱物を採掘することであった。初期の文明によってもたらされた岩石を原始岩盤から分離する方法を開発し、地下の測量と換気の改良を加えたのは鉱夫であり、これらはすべて後に大口径のトンネルを掘削するという新しい技術に取り入れられることになる。このつながりは、トンネル掘削工が現在でもマイナーと呼ばれているという事実からも明らかである。
ブリティッシュコロンビア州の銅鉱山
そのため、一連の最初の模型は、基本的な岩石破砕技術を反映し、硬岩の銅鉱山を描いています（図1）。紀元前におけるこのような作業に関する具体的な情報がないため、この模型は特定の時代や場所に基づいていませんが、銅が採掘されるスペインのリオ・ティント地域の鉱山を一般的に表しています。 [207]少なくとも紀元前 1000 年から採掘されている 同様の採掘法は、紀元前 1600 年頃にはチロル地方で既に存在していた 岩を砕く 2 つの方法が示されています。左側は、あらゆる方法の中で最も原始的な方法であるハンマーとノミで、これ以上の説明は不要です。右側には、人間の筋力を超える力を使った最初の岩砕き方法である、古くからある「火付け」法を使用している 2 人の人物が示されています。岩は、その表面に向けて起こされた激しい火によって完全に加熱され、次に岩に水をかけられて急激に冷却されます。熱衝撃によって岩または鉱石は、手で簡単に取り除ける小さな破片に砕けました。
図4.—フーサックトンネル。中央立坑底部にエレベーターカーと岩石スキップが見える。右端にポンプがある。中央では、バーレイ社製の単柱式掘削機で上部ベンチを掘削中。MHTモデル—1/2インチ縮尺。(スミソニアン写真49260-N)
地下でこの方法を実施すると、当然のことながら、恐ろしく汚染された雰囲気が生み出されました。鉱夫たちにとって、煙、蒸気、あるいは焙焼鉱石から出る有毒ガスのどれがより苦痛だったのか想像するのは難しいでしょう。たとえ、ある程度使い捨てとみなされる労働力によって行われたとしても、この方法は何らかの換気装置がある場所でしか使用できませんでした。自然の煙突と対流が主な空気循環源でした。火炎システムには欠点もありましたが、その簡便さと有効性は非常に大きな利点であり、その使用の歴史はほぼ今日まで途切れることなく続いています。ヨーロッパで爆発的な発破が登場する以前の、鉱山開発が盛んだった時代には、火炎処理は極めて重要でした。しかし、多くの僻地では、火薬に比べてコストが低かったため、20世紀初頭までその使用はほとんど衰えませんでした。同じ理由から、1900年頃まで、実際のトンネル工事では限定的にしか使用されていませんでした。
何世紀にもわたって、つるはし、のみ、ハンマーを用いた直接的な手作業と火打ちが、岩石除去の主な手段でした。状況によっては様々なくさび打ち工法も用いられましたが、その重要性は極めて低かったため、模型には示されていません。
[208]
フーサックトンネル
この模型シリーズでは、岩盤トンネル掘削技術における大きな進歩を無視することなく、たった一つの模型を追加するだけで一連の開発を完了することができました。土木工学における偉大な業績の多くは、交通に直接関わるものであり、したがって19世紀初頭に始まった現代の産物です。ルート選定、橋梁建設、トンネル掘削といった古代の技術の発展は、1800年以降、近代運河、高速道路、そして特に鉄道の発展によって大きく促進されました。
フーサックトンネルは、1851年から1875年にかけてマサチューセッツ州北西部のフーサック山を貫いて掘削され、アメリカ合衆国で最初の大規模トンネル工事となりました。このトンネルの重要性は、この工事自体よりもむしろ、文字通り近代的な岩盤トンネル技術の源泉となったことにあります。特筆すべきは、この工事が数世紀前からほとんど変わっていない掘削方法で着工され、20年後には当時としてはほぼ完全に機械化された技術によって完成されたことです。空気圧式削岩機と高性能爆薬を用いたフーサックトンネルの基本的な作業パターンは、今日でもほとんど変わっていません。
フーサック計画の概略は非常に詳細に記録されているため、ここではその政治的側面について簡潔に概説するだけで十分です。フーサック山は、マサチューセッツ州グリーンフィールドとニューヨーク州トロイを結ぶ鉄道建設計画における最大の障害でした。この路線は、急速に発展する西部への直通ルートを提供するため、ボストンの商人グループによって開通されました。これは、ニューヨーク経由の沿岸ルートとの競合でした。経済的に合理的な唯一のルートは、山を貫く約8キロメートルのトンネルでした。これは全く前例のない長さであり、当時の比較的原始的な岩盤加工方法を考えると、途方もない事業でした。
図5.—バーレイ・ロックドリル（1870年頃の改良型）は、地上作業用にフレームに取り付けられています。（カタログと価格表：バーレイ・ロック・ドリル社、1876年）
掘削孔の長さと迅速な掘削への欲求は、工事開始当初から革新を促しました。初期の機械化の試みは、効果がなく、トンネル工学に多大な影響を与えることはなかったものの、興味深いものです。これらの試みは、岩盤に1本以上の同心円状の溝を刻むことで、工事面全体を1回の掘削で掘削することを目的として、「フルエリア」タイプの実験機を複数台製作するものでした。溝の間に残る岩盤は発破で除去することになっていました。最初に試験されたこの機械は、直径24フィートの開口部を10フィートにわたって掘削することに成功しましたが、その後完全に機能を停止しました。その後、いくつかの機械が同等の性能を発揮しました。 [2] ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道の著名な主任技師、ベンジャミン・H・ラトローブは、 フーサックトンネルに関する報告書（ボルチモア、1862年10月1日、125ページ）の中で、このような装置は構造上、故障の原因となる要素を含んでいると述べ、「機械に過大な作業を要求する一方で、火薬に要求される作業量は少なすぎるため、すべての省力化機械の基本原理に反する。機械的才能の誤用としか考えられない」と付け加えた。
[209]
図6.—フーサックトンネル。作業面におけるバーレイドリルの閃光写真。（マサチューセッツ州立図書館提供）
ラトローブは岩盤トンネル工事の基本理念を述べた。岩石破砕における爆薬の効率を凌駕する機械装置は未だ存在しない。したがって、トンネル工事への機械の合理的な適用は、基本的なプロセスそのものを置き換えたり変更したりすることではなく、爆薬を投入するための発破孔を機械的に掘削することで、より高速に作業を行うことを可能にすることであった。
フーサックトンネルの実際の工事は1854年頃にトンネルの両端で開始されましたが、1858年にフィラデルフィアの著名な土木技師であり鉄道建設者でもあるハーマン・ハウプトに契約が交わされるまで、ほとんど成果は上がりませんでした。ハウプトは直ちに改良されたトンネル掘削工法、すなわち全面掘削機と機械式削岩機の調査を再開しました。当時、機械式削岩機の技術は初期の実験段階をはるかに超えるものでしたが、それほど先を行くものではありませんでした。当時、実用的なアメリカ製の機械が1つありました。それは1851年に発明されたファウルドリルです。蒸気駆動で、採石場で使用されていましたが、商業的にはそれほど普及していなかったようです。しかし、トンネル掘削に応用するには大きすぎて扱いにくいものでした。しかし、その動作原理には、ドリルロッドが複動式蒸気ピストンに直接接続され、往復運動するという、実用的な削岩機の要素が含まれていました。非常に重要な点は、重力に左右されないため、あらゆる方向に掘削が可能だったことです。
ハウプトは実験を行いながら、模型の左側部分（図2）に示すような古典的な方法で作業を進めていった。右端では、ピックアンドハンマーによる前進坑道、すなわち横坑が形成されている。その後、この坑道は、実際にはトンネル掘削の基本作業であるハンマー掘削が可能な高さの頂坑道へと深く掘り進められる。図では、2人の作業員が両手でハンマーを持ち、鋼材を3人目の作業員が保持する「ダブルジャッキング」と呼ばれる作業が行われている。これは、いくつかの手掘り掘削方法の中で最も効率的な方法であった。頂坑道掘削計画は、岩盤の大部分を下部ベンチの形で除去し、掘削の大部分を明らかに最も効果的な方向である下向きに行うように設計された。発破には黒色火薬とその市販の変種が使用された。これらの手順の描写には多少の自由が与えられており、模型の範囲内で両方の作業を示すことができる。実際には [210]発破がベンチ作業の妨げにならないよう、掘削ヘッドはベンチの400～600フィート前方に保たれた。ベンチ台車は発破された岩石の取り扱いを容易にするものであり、発破作業中は後方に転がされた。
図7.—フーサックトンネル。 バーレイドリルを携えて西側の坑道を下りる鉱夫たちのグループ。（写真提供：マサチューセッツ州立図書館）
ハウプトが機械ドリルを用いて行った実験は、すぐには有用な成果を生みませんでした。1858年、ハウプトとその仲間であるスチュアート・グウィンが設計したドリルは、硬い花崗岩を毎分5/8インチの速度で掘削しましたが、実用に耐えられるほどの強度はありませんでした。ハウプトは1861年に激しい政治的圧力と、汚職と不正管理という全く不当な非難の犠牲となり、この仕事を辞めました。作業は中断され、1862年に州委員会が引き継ぎました。恐るべき無能さと紛れもない汚職にもかかわらず、この時期はフーサックトンネル、そして岩盤トンネル全般の長い歴史において極めて重要な時期でした。
この時までに、このプロジェクトに対する単なる決まりきった批判は、完成した作業のわずかな部分に比べて、すでに経過した時間の長さと莫大な費用のために、激しいものとなっていった。このことが、委員会内にプロジェクトを急ぐ強い切迫感を生み出すのに役立った。有能な技術者であるチャールズ・S・ストローは、トンネル工事の進捗状況、特に当時フランスとイタリアの間に建設中だったモン・スニ・トンネルの機械化について報告するためにヨーロッパに派遣された。その主任技術者であるジェルマン・ソメイエは、ハウプトと同様の実験の後、かなり効率的な掘削機を発明し、1861年3月にモン・スニで稼働を開始した。これは手掘りに比べて明らかに改善され、掘削速度をほぼ2倍にしたが、複雑で信頼性が非常に低かった。16台のドリルを稼働させるのに200台のドリルが必要だった。しかし、ここで重要なのは、ゾンメイラーがドリルを蒸気ではなく空気で駆動させていたという事実だ。空気はトンネル入口で圧縮され、掘削面に配管された。このたった一つの要素、つまり発明というよりもむしろ応用という要素こそが、機械式ドリルをトンネル掘削に実用化することを可能にしていたのである。
大西洋の両岸における機械掘削の分野におけるこれまでの取り組みは、蒸気を動力源とすることに注力してきた。深いトンネルでは換気が既に問題となっており、蒸気ドリルから大気への排気は許容されなかった。さらに、熱放射と凝結による深刻なエネルギー損失のため、蒸気を長距離配管することは不可能だった。トンネル内での蒸気発生は明らかに不可能だった。実用的なドリルと、ソメイラーが同時に発明した実用的な空気圧縮機の組み合わせによって、初めて機械掘削がトンネル掘削に実用的に応用されることになったのである。
[211]
図8と9.—フーサック・トンネル。同時代の版画。広大な敷地は写真撮影に十分な照明が当てられなかったため、美術館の模型は主に画家による模型に基づいて製作された。（『サイエンス・レコード』、1872年； 『レスリーズ・ウィークリー』、1873年）
[212]
ソメイラードリルはストローに多大な感銘を与え、1862年11月の報告書ではフーサックでの採用を強く支持する内容が記されていた。しかしながら、試験段階のものも含めて、一台たりとも米国に持ち込まれなかったのは興味深い。ストローは、ソメイラーが、最終的には実用化を視野に入れ、さらなる改良が加えられるまで機械の詳細は秘密にしておくつもりだったと述べている。実際、ソメイラードリルは実用的ではあったものの、多くの基本的な欠陥があったため、削岩機開発においては行き詰まりを見せた。しかし、間接的にインスピレーションを与え、それが緊急の課題であったことと相まって、フーサックでの掘削機械の試験運用を再開することになった。州委員会の主任技師、トーマス・ドーンはこの計画を精力的に推進し、発明家を探し出して奨励し、自らもその問題に取り組んだ。ソメイラードリルのパターンは概ね踏襲された。つまり、ドリルは独立した比較的軽量の機械要素として設計され、複数の鉱夫によって運搬され、稼働中は可動式のフレームまたは台車に取り付けられるようになっていた。もちろん、空気が動力源と想定されていた。ドリルが効果的に機能するには、穴が深くなるにつれてドリルロッドが自動的に送り込まれ、またロッドが自動的に回転して丸く滑らかな穴を維持することが必要だった。極めて高い耐久性が不可欠であり、これが機械の故障の原因となることがよくあった。これらの特性を、おそらく1秒間に5回という大きな力でドリルロッドを岩に打ち込むことができる機械に組み合わせることは、創意工夫と材料の厳しい試練であった。1864年、ドーンは3種類の実験用ドリルと、さまざまな蒸気および水力駆動のコンプレッサーを手にしていた。
1865年、マサチューセッツ州フィッチバーグの著名なパトナム・マシン・ワークスの機械技師、チャールズ・バーレイがドリルを発明し、ついに成功がもたらされました。このドリルは1866年6月に東進で初めて使用されました。当初は順調に動作していましたが、信頼性の欠如とそれに伴う高額な修理費用によって成功は限定的でした。「いくつかの弱点」があると評されていました。11月、このドリルは改良されたバーレイ製ドリルに交換され、工事の最後まで大成功を収めました。こうして、近代的な岩盤トンネル掘削の時代は、機械ドリルに空気圧を初めて応用したソメイラーの洞察力、完全に実用的なドリルを探し求めたドーンの粘り強さ、そしてそれを実現したバーレイの機械工学的才能によって幕を開けました。フーサックトンネルを完成させたいという切実な思いこそが、この優れたドリル開発の最大の動機であったと言えるでしょう。
この発明の意義は広範に及んだ。バーレイのドリルはアメリカ初の実用的な機械式削岩機であり、ソメイラードリルと比較した場合の信頼性、効率性、そして簡便さから、おそらく世界初の実用機であったと言えるだろう。バーレイドリルはほぼ瞬く間に成功を収めた。1876年にフーサックが完成する前に、パトナム社によってバーレイ・ロック・ドリル社向けに生産が開始され、西部の鉱山地域やその他のトンネル工事で広く使用されるようになった。大発明としては、その採用は相対的に言えば瞬時であった。これは、その後のピストン式ドリルの原型となり、メーカーを問わず、総称して「バーレイ」と呼ばれるようになった。フーサックを最終的に完成させたカナダの請負業者、ウォルター・シャンリーは、ドリルが十分な期間使用され、最も効率的な使用方法が完全に理解され、効果的に適用された後の1870年に、バーレイドリルは手掘り掘削に比べて掘削コストを約半分に削減したと報告した。機械掘削の1インチあたりのコストは、すべて込みで平均5.5セントであったのに対し、手作業の場合は11.2セントでした。より重要な点である掘削速度は、エアドリル使用前後のトンネル掘削の月平均進捗状況の報告書に示されています。
年 平均月間
進捗（フィート）
1865 55
1866 48
1867 99
1868 —
1869 138
1870 126
1871 145
1872 124
図10.—フーサックトンネルでのトリニトログリセリン爆発。（レスリーズ・ウィークリー、1873年）
模型の右側部分（図3）は、最終期の採掘の様子を表しています。バーレイ式掘削機が導入された後は、底部掘削方式が一般的に使用されるようになりました。4～6基の掘削機が [213]掘削機はドーン設計の台車に搭載されていました。これにより約 6 時間で、坑道の中央に最初の発破用の穴が開けられました。その後、坑道の全幅、つまりトンネルの 24 フィートの幅が、さらに 2 段階で掘削および発破されました。初期のセクションと同様に、後方のベンチは、約 20 フィートのトンネル全高まで後に撤去されました。この作業は、スクリュー コラムに搭載された 1 台のドリル (図 4 ) で示されています。作業は 8 時間シフトの 3 交代制で進められ、掘削に半分の時間が、坑道の戻り、発破、およびずり出し (砕けた岩の除去) に費やされました。
トンネルの1028フィート（約320メートル）の中央立坑は、1870年にシャンリー社との契約に基づき、2つの作業面と換気竪坑を設けるために完成しました。模型のこの半分の右端に示されています。プロジェクトの終盤に完成したため、この立坑から掘削されたのはトンネルのわずか15%に過ぎませんでした。
工事の進捗速度が飛躍的に向上したのは、機械掘削だけによるものではなかった。ドーンは管轄開始当初から、ドリルだけでなく爆薬を用いた実験も行い、黒色火薬よりも効果的な薬剤を探していた。この場合、速度への要求だけが動機ではなかった。東西の進路が坑道から遠ざかるにつれて、換気の問題は深刻化し、黒色火薬の爆発によって発生する有毒ガスの排出がますます困難になっていった。
1866年、ドーンはヨーロッパからトリニトログリセリンのサンプルを輸入した。これはノーベルが新たに導入した液体爆薬で、ヨーロッパでは「グロノイン油」、アメリカでは「ニトログリセリン」として知られていた。この爆薬は、熱と経年劣化により分解し、わずかな刺激の有無にかかわらず爆発する性質から、既に恐ろしい評判を得ていた。しかし、その強大な威力とほぼ無煙という特性から、ドーンはペンシルベニア油田でドレイクの爆破作業を行っていた化学者ジョージ・W・モウブレーを雇い、この新爆薬の大量製造技術とトンネル内での安全な使用方法の開発を依頼した。
図11.—フーサックトンネルのエンジニアリング事務所における測量作業員。地上および地下の測量作業では、垂直方向と水平方向の適切な位置合わせと、個別に掘削された複数のセクションの接合を確実にするために、最高の精度が求められました。（写真提供：マサチューセッツ州立図書館）
モーブレーは山中に工場を建設し、すぐにこの爆薬を使った全く新しい発破工法を開発した。製造工程で絶対的な純度を維持することで、爆薬の安定性は大幅に向上した。掘削地点まで輸送中に液体を凍結させて感度を低下させ、取り扱いに細心の注意を払うことで、使用に伴う危険性はさらに低減した。掘削地点では、液体を円筒形のカートリッジに注ぎ、それを穴に充填した。バーレイ ドリルと同様に、ニトログリセリンは、その品質が実証されるとすぐに広く採用された。作業への効果は顕著であった。ニトログリセリンの爆発特性により、一定の前面作業面当たりの発破穴の数が少なくなり、同時に、黒色火薬の 30 インチに対して 42 インチというより深い穴から効果的に爆破することができた。そのため、理想的な条件下では、作業サイクルごとにトンネルの長さが 40 パーセント長く進むことができた。新たな導火線と電気点火システムが開発され、同時起爆が可能となり、黒色火薬の火薬列とコード導火線では不可能だったレベルの効果が得られました。1866年からトンネル完成までの間に、モーブレー社は100万ポンド以上のニトログリセリンを製造しました。
[214]
図 12.—フーサックトンネル中央立坑における、巻上げ、ポンプ、空気圧縮機械、および一般的な修理作業、1871 年。(写真提供: マサチューセッツ州立図書館)
[215]
図13.—フーサックトンネル。ノースアダムズ近郊のフーサック川沿いにある空気圧縮機の建屋 。圧縮機は一部、川の水力で駆動されていた。（写真提供：マサチューセッツ州立図書館）
図14.— 1868年完成前のフーサックトンネルの西口。6つのリング状のライニングレンガが見える。(マサチューセッツ州立図書館提供)
1868年、州政府の運営に伴う政治的困難の後、シャンリー夫妻が事業を引き継いだ時、実験の時代は終わりを告げた。トンネル掘削は完全に近代的な手法で進められ、今日に至るまで全体的なコンセプトは根本的に変わっていない。バーレイのピストンドリルは軽量のハンマードリルに、ドーン社のドリル台車はより柔軟な「ジャンボ」に、ニトログリセリンはより安定したダイナマイトとその代替品に、静電発破機はより信頼性の高い磁電式に置き換えられた。しかし、これらはすべて改良であり、革新ではない。
先行モデルとは異なり、このモデルには優れた資料が残されています。また、フーサックトンネルは、写真で詳細に記録されたアメリカ初のトンネルであると思われます。初期の懐中電灯で撮影された写真には、坑口で稼働中のドリル（図6）や坑口、中央立坑の巻上げ・揚水設備、そしてプロジェクトの多くの機械類や関連部分の様子が写っています。これらの写真と、ドーンの実験装置の図面のコピーは、貴重な技術記録としてマサチューセッツ州立図書館に保存されています。
軟弱地盤トンネル
硬岩トンネルと軟岩トンネルの違いは非常に大きく、両者はほぼ別々の分野を形成しています。開口部の上部で自重を支えるだけの堅さや粘着力を欠く地盤を掘削する場合、鉱夫の主な関心事は、岩盤を削り取ることではなく、掘削孔への崩落を防ぐことです。力ずくや火力、人力の直接的な使用に頼る原始的な方法は、岩盤への攻撃には適していましたが、より不安定な岩盤を掘削するために必要な技術が欠けていました。ローマの技術者は、地下道に石積みのアーチを架けることに長けていましたが、彼らの作業のほとんどは、実際の採掘ではなく、開削工法によって行われていたようです。
軟弱地盤の開口部を効果的に加工する技術が発達したのは中世になってからであり、この技術の発達が一貫して成功し、科学としてみなされるようになったのはルネッサンスになってからであった。
ルネサンス鉱業
岩石採掘の黎明期から、鉱物や金属の探究は人々を地下へと駆り立てた主たる原動力でした。何世紀にもわたるゆっくりとした進化の産物である採鉱技術こそが、初期のトンネル掘削技術へと発展し、採掘場所の規模以外は大きな変化はありませんでした。
16世紀の鉱業のあらゆる側面は、1556年にバーゼルで初版が出版されたゲオルギウス・アグリコラの傑作『金属論（De re Metallica） 』に詳細に記述されています。2世紀に及ぶその影響力の時代において、この本は金属採掘に関する権威ある書物として機能しました。そして今日でも、技術の一分野全体に関する比類のない初期の記録として、その価値を証明しています。鉱山の作業風景や道具を描いた見事な木版画は、それ自体が当時の技術を正確に描写しており、軟質地盤用模型シリーズの最初の模型の基礎となる理想的な情報源となりました。
[216]
図15.— 1874年、西門の完成した石積みを配置するための中心合わせ。 右上には、内張りのレンガを製造した小屋があります。(写真提供: マサチューセッツ州立図書館)
典型的なヨーロッパの鉱山を再現したこの模型は、壁や天井の柔らかい素材を支えるために、木製のフレーム、あるいは「セット」と呼ばれる構造が初期に使用されていたことを示しています。不安定性が中程度の地域では、セットだけで土圧に対抗するのに十分であり、必要な支持の程度に応じて間隔が設けられました。より過酷な状況では、模型に示すように、小さな柱や板で作られた頑丈な断熱材がフレームの外側に設置され、地面をしっかりと支えました。フレーム、ウィンドラス、そしてすべての工具や器具の詳細はアグリコラ社から提供されたため、解釈や補間は必要ありません。
基礎、側柱、側柱、そしてキャップピースを全てほぞ接合し、必要に応じて保温材を使用するという基本的な骨組み構造は、トンネル工事、特に小規模な探査坑道において、そのまま応用され、20世紀に入ってもなお用いられ続けました。
広大なトンネルにかかる圧力は、建設中に、基本的なシステムから進化した、より精巧な支保工システムによって相殺されました。運河や鉄道を通せるほどの断面を持つトンネルが当然の土木工事として着工される頃には、各国で区別できる一連のシステムが登場し、それぞれに長所と短所がありました。予想通り、例えばイギリスのトンネル支保工システムは大陸ではほとんど採用されず、ドイツ、オーストリア、ベルギーのシステムもイギリスでは通常見られませんでした。これらはすべて、1855年頃にアメリカのシステムが導入されるまで、この国で何度か使用されました。支保工は鉱山では通常そのまま残されますが、トンネル工事ではその後、恒久的な石積みアーチとライニングが採用されました。
博物館の土木工学ホールの天井 [217]イギリス、オーストリア、アメリカの方式を表す額縁が並んでいます。その隣には、1855年頃のオーストリア方式による軟弱地盤の鉄道トンネルの拡張工事の過程を示す小さなレリーフ模型（図19）が並んでいます。シールドトンネルの登場と鋳鉄ライニングの併用により、トンネルの仮設木材支保工は徐々に廃れていきました。これにより、シールドのすぐ後ろの支保工が完成し、トンネルの恒久的なライニングも可能になりました。
図 16.— 1876 年完成時の西門。(写真提供: ニューヨーク歴史協会) 画像をクリックすると、ポスターのカラー バージョンが表示されます。
ブルネルのテムズトンネル
単に不安定な地盤を通るトンネルの内壁は、様々な支保工やアーチ工法で支えることができます。しかし、地盤の流動性が高まるにつれて、この方法は適用されなくなります。通常、河床を構成する軟質物質はほぼ液体状態に近づき、その結果、過剰な水圧によって水頭が上昇し、単純な支保工で支えられた最も慎重に掘削された坑道でさえ、掘削が不可能になります。鉱山やトンネル工事で用いられる支保工システムの基本的な欠陥は、坑道フレームを設置する直前、あるいはその上に保温材を敷設する直前に、必然的に坑道面または天井の一定部分が支えられなくなることです。鉱山工事では、流動性のある土砂がそのような隙間を突き破り、坑道を埋めてしまう可能性があり、実際にそうなりました。このため、1825年以前には、水中トンネルを掘削する本格的な試みは行われていませんでした。
この年、ロンドンのロザーハイズとワッピングを結ぶテムズ川の地下トンネル建設工事が開始されました。これは、既に著名な技師であったマーク・イザムバード・ブルネル（1769-1849、I・K・ブルネルの父）の指導の下、建設されました。この事業で特に興味深いのは、ブルネルが自ら考案した全く新しい装置を用いて、川底を形成する軟らかい含水性粘土を持続的かつ確実に支えた点です。この「シールド」によって、ブルネルは世界初の水中トンネルを掘削することができました。 [3]
シールドは鋳鉄製で、高さは長方形で、ジャックスクリューによって前進させられました。上部、下部、側面の棚は、恒久的なレンガのライニングが設置されるまで、トンネルの天井、床、壁を支えていました。重要な作業面は、多数の小さな「ブレスティングボード」によって支えられていました。これらのボードは、シールドの骨組みに小さなネジで地面に固定されていました。シールド自体は12個の独立したフレームで構成されており、それぞれが独立して前進させることができました。高さは22フィート3インチ、幅は37フィート6インチでした。
作業は段階的に進められた。作業中、鉱夫たちは胸板を1枚ずつ取り外し、その前を掘削し、その後、約15cm前方の前進位置に戻した。これを上または下の次の胸板でも繰り返し、12セクションのうち1つのセクションの高さ全体の地面が削り取られるまで続けた。そのセクションの胸板スクリューは隣接するフレームに接触するように移動され、これにより、 [218]縦方向の圧力をかけるフレーム。そして、前進量に応じてねじを締め込み、完成した石積みの後方でねじを支えます。こうしてトンネルはゆっくりと一歩一歩進み、最大で毎週14フィート（約4.3メートル）進みました。
図17.—軟弱地盤トンネル工事。坑道の壁と天井を単純な支柱で支える。16世紀。MHT模型—¾インチ縮尺。(スミソニアン写真49260-J)
模型の左側には、作業開始のために掘られた竪坑が描かれています。また、土砂を撤去するためのバケットホイストもここに示されています。ホイストを駆動するV型蒸気機関はブルネルによって設計されました。メイン模型の右側には、シールドの拡大図が描かれています。これは実際には1835年に製作された改良版です。
工事はあらゆる困難に直面しながらも続行された。財政的な困難についてはここで述べる必要はないだろう。技術的には、シールド方式は有効であることが証明されたものの、その支持は完璧ではなかった。掘削作業には細心の注意を払っていたにもかかわらず、川が薄いシルトの層を突き破り、作業場を浸水させることが4、5回あった。こうした事態が発生すると、大量の粘土、土嚢、マットが川底の開口部に投棄され、トンネル内の水が汲み上げられた。I・K・ブルネルは監督を務めていたが、幾度となく命を落としかけた。撤退や支援の枯渇により工事は何度か中断され、そのうち1回は7年間続いたが、工事は1843年に完成した。
ブルネルは、堅固で含水性のある地盤にトンネルを掘る実用的な方法を初めて実証したにもかかわらず、莫大な工事費と、直面したほとんど手に負えないほど多くの問題は、むしろブルネルの意欲を削ぐ結果となった。同様のプロジェクトは、その後四半世紀もの間、実行されなかった。
テムズトンネルは、1870年頃まで歩行者や軽自動車の交通に利用されていましたが、その後ロンドン地下鉄に組み込まれ、現在も利用されています。2つの坑道の上部は屋根で覆われており、今でも川から見ることができます。
トンネルについては同時代の通説が数多く存在するが、あらゆる時代における単一のトンネル工事に関する最も徹底的かつ興味深い解説の一つが、ジョン・ウィールによって 1845 年から 1846 年にかけて出版されたヘンリー・ローの「テムズ・トンネルの回想録」である。著名な土木技師であったローは、トンネル工事の開始から 1828 年後半に半分強が完成した時点での大規模な中断までを、信じられないほど詳細に記述している。彼の記録の中で最も貴重なのは、シールドとその構成部品の一連の設計図で、これまでのところ他にはどこにも存在しない。これらは、トンネル模型の右側に示されているシールドの拡大断面図の基礎となった。ここでは、模型との比較のために、シールドの垂直断面図をローから転載する (図 21 および 23)。
[219]
図18.—軟弱地盤トンネル工事。歴史技術博物館所蔵の16世紀の鉱山模型は、1690年のG・E・フォン・レーナイスの『 鉱山に関する報告』や、より有名な 『メタリカについて』に掲載されたイラストに基づいて製作された。
[220]
図19.— 19世紀半ばの鉄道トンネル拡張工事におけるオーストリアの木材利用システムを使用した段階的な作業
。MHTモデル。
[221]
図20.— M・I・ブルネルのテムズトンネル、1825～1843年。水面下に掘られた最初のトンネル。MHT
模型—1/4インチ縮尺。(スミソニアン写真49260-F)
ザ・タワー・サブウェイ
図21.—ブルネルのトンネルシールドの拡大図、縦断面。12個のフレームのうち最初の2つと3番目のフレームの一部が示されている。左側にはトンネルの完成したレンガライニング、右側には個々のブレスティングボードと切羽を支えるスクリューが見える。推進スクリューは上部と下部にあり、ライニングに当たって支えられている。各フレームには3人の鉱夫が上下に並んで作業していた。MHT模型—3/4インチ縮尺。(スミソニアン写真 49260-G)
シールド原理の根本的な健全性を認識していた多くの発明家が、ブルネルのシールドを改良しようと試みました。ほとんどすべての発明家は、テムズトンネルで使用された長方形断面構造を回避し、ブルネルが1818年に最初の特許で提唱した円形断面のセクションシールドを出発点としました。近代水中トンネル建設の父と呼ばれるにふさわしいジェームズ・ヘンリー・グレートヘッド（1844年 – 1896年）は、後年、ブルネルが実際の使用にはセクションタイプのシールドに適した長方形構造を選択したと推測しました。イギリスの土木技師ピーター・W・バーロウは、1864年と1868年に一体型の円形シールドの特許を取得しました。これは、彼が1869年にテムズ川の地下1350フィートの小規模地下鉄を建設する際に使用したシールドの基礎となり、ブルネルの先例に倣った最初の工事となりました。バーロウの請負業者として活動していたグレートヘッドは、実際に工事で使用された盾の設計者だったが、その盾は明らかにバーロウの特許からヒントを得たものだった。
ブルネルシールドの多数の部品を単一の剛性ユニットに集約したことは計り知れない利点であり、シールドトンネルのコンセプトそのものに匹敵する進歩と言えるでしょう。バーロウ＝グレートヘッドシールドは、地中への貫通を助けるために先端に尖った円形のリングを備えた望遠鏡のキャップのような役割を果たしました。ダイヤフラムは、ブルネルの胸板と同様に、切羽の縦方向の土圧に抵抗する役割を果たし、ダイヤフラムの背後にある円筒部分は、天盤と壁面からの放射状の圧力を支えました。また、この技術では初めて、鋳鉄製のセグメントで構成された恒久的なライニングが採用されました。これは、軟弱地盤トンネルにおけるトンネル施工におけるもう一つの大きな進歩でした。セグメントは、石積みライニングを敷設するよりもはるかに迅速に設置・ボルト締めが可能だっただけでなく、グリーンメイソンリーとは異なり、シールド推進スクリューの全力に即座に耐えることができました。
バーロウは、ブルネルが河床に非常に近いところで掘削を行ったというミスを巧みに利用し、トンネル上部の平均覆土量を30フィート（約9メートル）に維持しました。この覆土は、実質的に水を通さない堅固なロンドン粘土層を掘削することでした。この結果、堅固なシールドと迅速に敷設された鉄製のライニングの利点も相まって、工事はテムズトンネルとは驚くほどの速さと容易さで進みました。ただし、公平を期すために言えば、切羽面積ははるかに小さかったことを忘れてはなりません。
粘土は十分に健全であったため、隔壁の支えがなくても容易に掘削でき、通常は 3 人の鉱夫がシールドの前で作業し、粘土を掘り出してプレートの出入り口から戻しました。突然の沈下や侵入があった場合に備えて、この出入り口を閉じることができました。掘削後、シールドは 6 本のスクリューを使用して掘削エリアに 18 インチ前進させられ、シールドの重なり合った後部スカートの下で、長さ 18 インチのライニング セグメントのリングが前のリングにボルトで固定されました。スカートの厚さとクリアランスによってライニングの外側と粘土の間に残る小さな環状の空間 (約 1 インチ) は、薄いセメント グラウトで埋められました。トンネルは、8 時間シフトごとに 18 インチ前進しました。作業は 24 時間体制で続けられ、900 フィートの川部分はわずか 14 週間で完成しました。 [4] 工事全体はほぼ問題なく1年足らずで完了し、世界で2番目の水中トンネルとしては驚くべき成果となった。
[222]
図 22.— 1827 年、テムズトンネルの工事開始後に発行された大判のチラシ。
(MHT コレクション) テキストの転写は、以下の転写者のメモに記載されています。
[223]
図23.—ブルネルのシールドの縦断面図。長いレバー（x）は、ライニングの石造アーチを回転させるための木製の芯出し材を支えていた。（ロー著『 テムズトンネル回想録』）
[224]
図24.—テムズトンネル。 川の崩落の一つ後の河床とトンネルの断面図。潜水鐘による被害状況の調査。（ビーミッシュ著『サー・マーク・イザムバード・ブルネルの生涯を振り返る』）
タワー地下鉄は当初、直径7フィートの坑道をほぼ埋め尽くす円筒形の車両で運行され、車両は坑道内の小型蒸気機関で駆動するケーブルで牽引されていた。この動力方式は、ニューヨークのグリニッジ・ストリート高架鉄道で旅客サービスにのみ使用されていた。後に車両は採算が取れないとして放棄され、トンネルは歩道となった（図32）。グレートヘッドの技術によって成功したこの小さなトンネルは、現代の水中トンネルの先駆けとなった。このトンネルで、その後の水中トンネル工事に不可欠な3つの要素のうち、円形断面の一体型可動シールドとセグメント型鋳鉄ライニングの2つが初めて採用された。
この工事に関する資料は、テムズトンネルのものよりはるかに少ない。最も正確な技術情報源は、1906年に出版されたコッパースウェイトの古典『トンネルシールドと水中工事における圧縮空気の使用』にある簡潔な歴史説明である。成功したトンネル技師であったコッパースウェイトは、グレートヘッドの最初のシールドに関する図面や原資料が何も見つからなかったことを嘆いているが、1895年にグレートヘッドの事務所で作成されたスケッチを提示しており、これはおそらく適切に表現されている（図33）。タワー地下鉄の模型は、このスケッチと、同時期に挿絵入りの印刷物に掲載された作業区域の数枚の木版画に基づいて作られた。この模型と隣接するビーチのブロードウェイ地下鉄の模型では、トンネル軸が見る者に対して斜めに配置され、穴がケースに投影されているため、より示唆的な効果を出すために、切羽の完全な円が含まれるようになっている。これは、含まれる作品の長さが短かったために可能になりました。
トンネル技術者であり、トンネル工事に関する最も包括的な著作の著者でもあるヘンリー・S・ドリンカーは、1878年までの岩盤トンネル工事について、詳細に論じている。彼が「海底トンネル」と呼ぶものについての記述は極めて簡潔である。しかし、ブルネルが建設した最初のテムズトンネルと、その26年後にグレートヘッドが建設した2番目のトンネルとの比較において、非常に興味深い記述をしている。
最初のテムズトンネル 第2テムズトンネル
（タワー地下鉄）
レンガ造りの内張り。幅 38 フィート、高さ 22.5 フィート。 外径 8 フィートの鋳鉄ライニング。
120 トンの鋳鉄製シールド。36 人の鉱夫を収容可能。 2.5 トンの錬鉄製の盾。最大 3 人の人を収容できます。
川の氾濫により5回にわたって埋め立てられた坑道。 「いつでも遭遇する水は、安定したバケツに集めることができたはずだ。」
仕事の開始から終了まで18年が経過しました。 作業は約11か月で完了しました。
費用: 300万ドル。 費用: 10万ドル。
[225]
図25.—浸水後のシールドの横断面。このような災害に加え、河床構成の不均一性も、シールドの各セクションの配置に深刻な乱れを生じさせた。（ロー著『テムズトンネル回想録』）
[226]
図26.—河床の破断部を土嚢で塞いだ後のテムズトンネル縦断面 。トンネルはシルトと水で満たされている。（ロー著、『テムズトンネル回想録』）
図27.— 1843年に完成した直後のテムズトンネルの内部。 (ニューヨーク公共図書館写真コレクション提供)
[227]
図28.—ロンドン地下鉄が使用していたテムズトンネル。(イラストレイテッド・ロンドン・ニュース、1869年頃)
図29.— 1869年、グレートヘッド・タワー地下鉄に鋳鉄製のライニング片を設置している様子。後方にはシールドのダイヤフラムまたは隔壁がある。MHTモデル—1.5インチ縮尺。(スミソニアン写真49260-B)
ビーチのブロードウェイ地下鉄
タワー地下鉄の建設とほぼ同時期に、アメリカ初のシールドトンネルがアルフレッド・イーリー・ビーチ（1826-1896）によって開削されました。ビーチは『サイエンティフィック・アメリカン』誌の編集者であり、 1856年には既に優れたタイプライターを発明するなど、技術界では広く知られ、尊敬されていました。彼は土木技師ではありませんでしたが、当時すでにニューヨークの切迫した交通問題に懸念を抱き、解決策としてブロードウェイを延伸する高速地下鉄の計画を立案しました。彼はこのシステムの補助としてシールドを発明しましたが、これはトンネルを掘削する際に上部の道路を損なわないようにするためだけのものでした。
特許弁護士としても活躍していたビーチは、既存のトンネルシールドの特許を間違いなく知っており、研究していたに違いありません。それらの特許は例外なくイギリスのものでした。彼のシールドは、ある点ではバーロウが1864年に特許を取得したものの、結局完成しなかったシールドに類似していました。しかし、ビーチトンネルの工事は1869年に開始されており、タワートンネルの工事開始時期と非常に近いのです。 [228]地下鉄の構想は、その出所から何らかの影響を受けた可能性は低いと結論づけている。ビーチ自身も1869年6月にシールドの特許を取得していたが、これは2ピースの断面構造で、今回使用されたものとは全く似ていなかった。彼の地下鉄計画は、1867年のアメリカ協会博覧会で初めて発表された。短い合板の管の中に、小型でぴったりと収まる車両をファンで送風するというものだった。車両は12人の乗客を乗せていた。タマニーからの地下鉄計画への反対を察知したビーチは、1868年にブロードウェイの下に小さな管を敷設し、郵便物や小包を空気圧で輸送する許可を得た。これは、彼が旅客地下鉄とは独立して提唱した計画だった。
シールドを前進させる。 鋳物の取り付け。
図30.— 歴史技術博物館の模型の基礎として使用された、タワー地下鉄工事の当時のイラスト。(イラストレイテッド・ロンドン・ニュース、1869年)
図31.—タワー地下鉄のシールド前面の掘削。これは、粘土の硬さのおかげで可能になった。MHT模型—模型の前面は図29に示されている。(スミソニアン写真49260-A)
この薄っぺらな法的権限の見せかけの下、密かに掘削作業はブロードウェイ近くのウォーレン通りにある衣料品店の地下室から始まった。直径8フィートのトンネルは東に少し走り、90度曲がって南へと向かった。 [229]トンネル掘削は、ブロードウェイからマレー通りの南側地下1ブロックで停止する計画だった。全長は約312フィート。工事は夜間に極秘裏に行われ、実際の掘削作業は58夜を要した。ウォーレン通りターミナルでは待合室が掘削され、客車1両の推進用に大型のルーツ式ブロワーが設置された。計画は1867年の模型に使用されたものと同様で、円筒形の客車が円形トンネルにわずかな円周方向の隙間を設けて収まるようにした。ブロワーは、客車の後方の待合室とトンネル内に1平方インチあたり約0.25ポンドの空間を作り出し、ブローバイを除いても客車に1トン近い推力を与えた。客車はこうして進路に沿って吹き飛ばされ、ブロワーの吸引ダクトと排出ダクトを逆転させてトンネル内を真空状態に戻し、等価の真空状態を作り出した。
図33.— 1869年、タワー地下鉄で使用されたグレートヘッドシールドの垂直断面図。円形断面を持つ最初の一体型シールド。(コッパースウェイト、 「トンネルシールドと水中工事における圧縮空気の使用」)
地下鉄は1870年2月に開通し、約1年間運行されました。最終的にビーチはボス・ツイードの敵対的な影響力に屈し、計画は完全に放棄されました。それからわずか数年後には最初の商業運転可能な高架路線が建設されましたが、ニューヨークで地下鉄が正式な地位を獲得したのは1904年のインターボロー線開通まで待たなければなりませんでした。皮肉なことに、その路線は島のほぼ全域にわたってブロードウェイを横断していました。
図32.—完成したタワー地下鉄の内部。 （ソーンベリー、『オールド・アンド・ニュー・ロンドン』、1887年、第1巻、126ページ）
ビーチシールドは、この短い試験では完璧な成功を収めたが、遭遇した緩い砂質土は、その品質を測る厳しい試金石ではなかったことは認めざるを得ない。ダイヤフラムは使用されず、代わりに、シールドの前面開口部を横切るように、先端が鋭利な8つの水平棚が設けられていた。この機械の際立った特徴は、ブルネルとグレートヘッドが使用した推進スクリューの代わりに、シールドの周囲に18個の油圧ラムが設置されていることである。これらの油圧ラムは、図34の中央に見える1台の手動ポンプによって駆動された。これにより、シールドの前進方向を、簡便かつ正確な操作で制御することができた。 [230]ネジでは達成できない精度。垂直方向と水平方向の偏向は、特定のラムへの水供給量を個別に制御することで実現され、シールドの一部に他の部分よりも大きな圧力をかけることができました。このシステムはその後も変わっていませんが、もちろん、手動式の代わりに機械式の油圧が使用されるようになりました。
図34.—ビーチのブロードウェイ地下鉄。水圧ラムでシールドを前進させる様子、1869年。MHTモデル—1.5インチ縮尺。(スミソニアン写真49260-E)
タワー地下鉄の掘削とは異なり、シールド前面の掘削は行われませんでした。シールドはラムによってストロークの長さだけ地盤に押し込まれ、押し込まれた土砂は棚板によって支えられました。この土砂は棚板から取り除かれ、運び出されました。その後、ラムのプランジャーが引き抜かれ、シールドのテールリングの保護範囲内に16インチの長さの恒久ライニングが築造されました。これに対して、ラムは次の前進のために掘削を行いました。直線部には石積みライニングが、曲線部には鋳鉄が使用されました。接合部は模型に示されています。
[231]
図36.—ビーチ地下鉄の内部。曲線部の鉄製のライニングと空気圧式客車が見える。待合室からの眺め。（サイエンティフィック・アメリカン誌、1870年3月5日号）
図35.—ブロードウェイ地下鉄で使用されたビーチシールドの縦断面図。水平棚（C）、鉄切断リング（B）、油圧ラム（D）、油圧ポンプ（F）、および後部保護スカート（H）を示しています。（サイエンティフィック・アメリカン、1870年3月5日）
ビーチシールドの拡大版は、1870年代初頭に中西部のいくつかのトンネルで使用されましたが、その後1886年まで、シールド方式は、明確な理由もなく、大西洋の両側で使用されなかった時期がありました。グレートヘッドとビーチによる事実上無条件の証明にもかかわらず、この方式は大西洋の両側で使用されませんでした。この研究に関する正確な情報はほとんど残っていません。ビーチの空気輸送システムは、1868年1月に彼が発行した、イラスト入りの小冊子で詳しく説明されており、アメリカ研究所のモデルが示され、空気推進や地下および水中トンネルの多くの計画システムについて説明されています。ビーチは再び（おそらく）ブロードウェイ地下鉄に関する唯一の当時の記事の著者であり、これは 1870年初頭の開通後にScientific Americanに掲載されました。トンネルと車両、稼働中のシールドの鮮明な画像、そして最も重要なシールドの垂直断面図（図35）が含まれています。
興味深いことに、コースの維持管理に光学測量は用いられなかったようです。記事には、毎晩、関節式の鉄棒をトンネルの天井から20フィートほど上の道路まで打ち上げ、「位置確認」を行う様子が図解され、説明されていました。
最初のハドソン川トンネル
1843年のブルネルのテムズトンネルは最終的に成功を収めたものの、当時トンネルを貫流した土砂の流動性と、シールドの防御構造におけるわずかな隙間からも土砂が侵入する傾向があったため、シールドの防御力は中程度にしか発揮されませんでした。潜水鐘内の高圧が作業員に及ぼす影響について生理学的研究を行っていたあるイギリス人医師が、1828年にブルネルに対し、トンネル内に圧縮空気を導入して水を排除し、切羽を支えることを勧めたと言われています。
この計画は、1830年の英国特許でトーマス・コクラン卿（1775-1860）によって初めて正式に記述されました。ブルネルの問題を認識していた彼は、掘削された領域を土砂で埋め立て、含水地盤に竪坑を掘り、採掘し、トンネルを掘るシステムを提案しました。 [232]水の浸入を防ぎ、土壌を支えるために、大気圧よりも十分に高い圧力の空気を供給した。この記述と、大気と加圧された領域の間で人や資材を移動させるためのエアロックの記述によって、コクランはその後発展した空気圧掘削の本質的な特徴を概説した。
図 37.— 車を推進するために使用される巨大なルーツローブ型送風機。
図38.— 夜間にジョイントロッドを道路レベルまで打ち上げてブロードウェイ地下鉄の線形をテストしている様子。(サイエンティフィック・アメリカン、1870年3月5日)
1839年、フランス人技師が初めてこのシステムを使用し、水に覆われた地層に坑道を掘削しました。それ以来、坑道の掘削、そして少し後には橋脚の基礎工事にも空気圧工法が利用されるようになり、ヨーロッパやアメリカではほぼ当たり前の技術となりました。しかし、トンネル工事にこのシステムが利用されるようになったのは1879年のことでした。そして、その10年前のシールド工法と同様に、国内外でほぼ同時にこのシステムが採用されました。最初の適用は、アントワープにある高さわずか5フィートの小さな河川トンネルでした。このプロジェクトは、シールドを使用せず、圧縮空気のみで地盤を支えることで無事に完了しました。この工事の重要性は、その規模が小さかったため、それほど高く評価されるべきではありません。
1871年、西海岸の鉱山・鉄道建設業者であったデウィット・C・ハスキン（1822-1900）は、当時セントルイスのイーズ・ミシシッピ川橋の橋脚基礎に使用されていたニューマチックケーソンに興味を持ちました。コクランの特許を全く知らなかったと思われるハスキンは、含水媒体をトンネル掘削するための同様のシステムを開発し、1873年にはニュージャージー州とニューヨーク市を結ぶ鉄道接続のためにハドソン川のシルト層を貫くトンネル建設を提案しました。
[233]
図39.—ハドソン川の下に掘られたハスキンの空気圧駆動トンネル、1880年。左上の機関室には、巻上げ、照明用発電、空気圧縮のための機械が設置されていた。レンガ造りの坑道の壁にはエアロックが見える。MHT模型 — 0.3インチ縮尺。(スミソニアン写真49260)
図 40.—ハスキンのトンネルの爆発中に通気口に逃げる鉱夫たちを描いた想像図。
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これほど交通網を必要とした場所は他に想像しがたい。南からの路線はすべて川の西岸で終点となり、膨大な交通量（自動車、貨物、乗客）はフェリーやはしけでマンハッタン島まで運ばれたが、その不便さと莫大な費用は計り知れないものだった。橋を架けることは、横断幅だけでなく両岸の平坦さも考慮すれば、当時も今もほぼ不可能だっただろう。（可動スパンなしで）十分な航行余裕を確保するには、許容できる緩勾配を得るために、実用的ではないほど長いアプローチが必要だっただろう。
ハスキンはトンネル会社を設立し、ニュージャージー州側のホーボーケンで立坑の掘削作業を開始した。しかし、奇妙なことに、DL&W鉄道がターミナルと海上施設への巨額投資を懸念し、1ヶ月後に工事を中止した。この差し止め命令は1879年11月にようやく解除され、工事は再開された。立坑は完成し、トンネル本体を前進させるための壁の片方にエアロックが設置された。ハスキンの計画では、シールドは使用せず、圧縮空気の圧力のみで切羽を維持し、浸水を防ぐことになっていた。12月下旬に空気が導入され、初の大規模空気圧トンネル掘削作業が開始された。当初は直径26フィートの複線掘削が計画されていたが、この直径の切羽では管理が困難であることが判明したため、高さ18フィート、幅16フィートの楕円形のトンネルを2本建設し、それぞれに単線を通すことにした。前例がなかったことを考えると、作業は比較的スムーズに進んだ。エアロックからトンネル地上まで、鉄板リングで仮設の入口が設けられ、そこから北側トンネルの恒久工事が開始されました。切羽掘削のすぐ後ろには、薄い錬鉄板でライニングが築かれ、その後に敷設される2フィートの恒久的なレンガライニングの型枠となりました。模型では、3つの段階がそれぞれの進捗状況とほぼ一致するように示されています。作業は、汀線の安定化に使用されていた古い木製隔壁の下を通過しています。
河床のシルトはパテ程度の硬さで、良好な条件下では掘削箇所と上流の河川との間に強固な障壁を形成していた。シルトは容易に掘削され、除去するために水と混合され、トンネル内の高圧によってパイプを通して竪坑内に吹き出された。約半分は掘削孔内に残され、後で除去された。基本的な計画は実行可能であったが、作業現場では作業区域内の空気圧を極めて正確に制御する必要があった。 [5]ライニングされていない開口部の高さが22フィートあるため、作業面の上部と下部の水圧には11psiの差があることがすぐに判明しました。そのため、外圧の完全な空気圧バランスを面全体に維持することは不可能でした。平均値を出す必要がありましたが、その結果、水圧が最も高い面の下部から水が入り、水圧が空気圧より低い上部から空気が漏れ出しました。絶え間ない注意が不可欠でした。数人の作業員が漏れの様子を観察し、地盤の密度が変化するにつれて圧力を調整しました。空気は地上のいくつかの蒸気駆動式コンプレッサーによって供給されました。
エアロックは、圧力差を乱すことなく、作業員と物資を大気と作業エリアの間を行き来させることができました。この原理は、竪坑の左側にあるメインモデルに設置されたアニメーションモデルによって実証されています（図39）。通過方向に応じて、閘門室内の圧力が大気または加圧エリアに一致するように変化する様子は、簡略化されたバルブとゲージ、そして色濃度の異なる光の使用によって明確に示されています。ハスキントンネルでは、鉱夫が閘門を通過するのに5分から10分かかり、生理学的変化が急激になりすぎないように配慮されていました。
[235]
1880年7月、注意を払っていたにもかかわらず、切羽ではなく仮設坑口付近からの空気漏れにより、噴出事故が発生しました。エアロックの扉の一つが詰まり、20人が溺死しました。この事故をきっかけに調査が行われ、ハスキンに対する技術者の不信感がさらに高まりました。彼の能力と資質は、技術系メディアを通して、また技術系メディアを通して、激しい攻撃にさらされました。プロジェクト開始当初は有能な技術者たちが揃っていたものの、作業の過程でハスキンに疎外され、少なくとも1人が辞任したという兆候がいくつか見られます。ハスキン自身の弁明は、非難の一部には確かに正当な理由があったことを示しています。しかし、このような反応があったにもかかわらず、空気圧トンネル工法の根本的なメリットはハスキンによって実証され、すぐに認識され、広く認められました。しかし同時に、空気だけでは不安定な地盤における大面積のトンネル工事に十分な支持力を提供できないことも明らかでした。そして、この工事は、空気のみで掘削された唯一の大規模な水中トンネル工事となっています。
図41.—ハドソン川トンネルの位置。 ( Leslie’s Weekly、1879年)
事故後、ハスキンの指揮下で工事は1882年に資金が枯渇するまで続けられました。北トンネルは約1600フィート、南トンネルは約600フィート完成していました。グレートヘッドは1889年にイギリスの会社のためにシールドを設置して操業を再開しましたが、資金が再び枯渇したため、1891年に操業は中断されました。 [236]1904年にようやく完成し、現在はハドソン・マンハッタン高速輸送システムの一部として使用されていますが、切望されていた鉄道接続は実現していません。ハスキン工事に関する優れた資料として、1885年に出版されたSDVバーの『ハドソン川下のトンネル工事』が挙げられます。本書は完全に直接の資料に基づいており、補助装置を含む工事の大部分の図面が掲載されています。注目すべきは、電気照明（白熱灯ではなくアーク灯）と電話が使用されたことです。これは間違いなく、トンネル工事における電気照明と電話の初めての導入例です。
図42.—セントクレアトンネル。シールド前面の図。堅い地層における掘削方法を示している。白熱電球照明が使用された。1889年から1890年。MHT模型—1インチスケール。(スミソニアン写真49260-D)
セントクレアトンネル
軟質地盤シリーズの最終モデルは、硬岩トンネルのフーサックトンネルモデルと同様に、近代への最終的な出現を反映しています。セントクレアトンネルは70年以上前に完成しましたが、その建設方法は現代の水中工事の基本手順を典型的に示しています。ブルネルのテムズトンネル、そしてハドソン川の下でのハスキンの取り組みは、シールド工法と空気圧工法の両方が、流体地盤を掘削する上で、大面積のトンネルには実用上不十分であることを明確に示しました。それぞれの工法による初期の成功した工事は、非常に狭い範囲を対象としていたため、悪条件の影響は大幅に軽減されていたことに留意してください。
二つのシステムを組み合わせることで得られる利点を最初に認識し、それを捉えたのは、まさにグレートヘッドでした。彼は1886年にシティ・アンド・サウス・ロンドン鉄道の地下鉄事業でこの技術を既に構想していましたが、軟弱で含水地盤のトンネル掘削に不可欠な三つの基本要素、すなわち建設中の圧縮空気による支持、可動シールド、そして鋳鉄製の恒久ライニングを初めて組み合わせたのです。この二つのシステムの融合は実に素晴らしいものでした。それぞれのシステムの限界は、他のシステムの長所によってほぼ完璧に克服されたのです。
1882年、オンタリオ州サーニアのグランド・トランク鉄道の終点における運用面および物理的条件は、この鉄道事業の着手につながった状況とほぼ同じであった。 [237]ハドソン川トンネル。アメリカとカナダを結ぶ重要な鉄道連絡路であるこのトンネルは、交通量が多く、広いセントクレア川を渡るフェリー輸送は不便で、河岸と河川の状況から橋の建設は不可能でした。鉄道会社はこの年、ハスキンの苦難が頂点に達していた時期にトンネル建設を計画しました。おそらく、これほど大規模な工事の前例がなかったため、すぐには何も行われませんでした。1884年、鉄道会社はトンネル会社を設立し、1886年には川底に試掘ボーリングが行われ、両岸から鉱山の伐採に用いられる通常の方法で小規模な探査坑道が掘削されました。しかし、天然ガス、流砂、そして水に遭遇したため、工事はすぐに中止されました。
図43.—セントクレアシールドの背面図。エレクターアームが鋳鉄製のライニングセグメントを設置している様子が見える。アームの3つの動作（軸方向、半径方向、回転方向）は手動で操作された。（スミソニアン写真49260-C）
ちょうどこの時、鉄道社長がグレートヘッド社のシティ・アンド・サウス・ロンドン事業所を視察した。セントクレア問題の明白な解決策は、この地下鉄の成功にかかっていた。グランド・トランクとトンネル計画の主任技師であるジョセフ・ホブソンは、シールドの設計にあたり、1868年から1869年にかけてブロードウェイとタワー地下鉄で使用されたシールドの図面を探したと言われているが、見つからず、ドリンカーの著書に収められた小さな図面にある程度頼った。当時使用されていたシティ・アンド・サウス・ロンドンのシールドの図面をホブソンが持っていなかった理由は、グレートヘッド社がその設計を秘密裏に保持していたという、かなりあり得ない可能性を除けば、説明がつかない。
図 44.— 1891 年のセントクレアトンネル開通。 (写真提供: デトロイト図書館、バートン歴史コレクション)
ホブソン・シールドは、開閉可能なドアを備えたダイヤフラムを備え、グレートヘッドのシールドをほぼ踏襲していたが、ビーチの尖った水平棚を改良したものも使用されていた。しかし、これらは土を支えるというよりは作業台として機能した。機械の直径は21.5フィートと前例のない大きさで、グレートヘッドの現行機のほぼ2倍であった。駆動は24個の油圧ラムであった。プロジェクトの予備検討全体を通して、成功への自信がほとんどないほどの慎重さが見られた。トンネル自体が崩壊した場合でもアプローチ工事に費用がかからないよう、垂直坑道から工事を開始する計画であった。1888年4月、 [238]川岸近くで立坑が掘削されたが、適切な深さに達する前に、ほぼ流動性の粘土と沈泥が掘削できるよりも速く上昇したため、この計画は断念された。この二度目の不吉な開始の後、長い開口部のあるアプローチの切通しが作られ、ようやく作業が開始された。各岸から数千フィート後退した切通しに坑口が設けられ、そこからトンネルの掘削が開始された。岸の下の部分は空気なしで掘削された。岸に達すると、エアロックを備えたレンガの隔壁が開口部と川の下の約3,710フィートのセクションを横切って構築され、大気圧より10～28ポンド高い空気圧で掘削された。ほとんどの道で粘土は固く、空気の漏れはほとんどなかった。圧縮された空気の中では馬は生きられないことがわかったので、川の下ではラバが使用された。
堅い粘土層では、模型（図42 ）に示すように、シールドの数フィート前方で掘削作業が行われた。約12名の鉱夫が切羽で作業した。しかし、特定の地層では粘土が非常に流動的であったため、シールドはラムで簡単に前進させることができ、掘削することなく泥がドアの開口部から流れ込んだ。前進するごとにラムは引き込まれ、タワー地下鉄と同様に、鉄製のライニングセグメントのリングが構築された。ここでは、約半トンの重さがある「エレクターアーム」がセグメントの設置に初めて使用された。あらゆる面で、作業は驚くほど容易に進み、操作上の困難は全くなかった。 [239]この広大な地域において、これほどの速さで掘削された水中トンネルはかつてありませんでした。アメリカ式とカナダ式の坑道開削機による月平均の掘削速度は合計455フィート（約135メートル）で、最高効率では、各坑道開削機で1日24時間で10リング（長さ15.3フィート）を掘削できました。全長6,000フィート（約1.8キロメートル）のトンネルはわずか1年で掘削され、2つのシールドは1890年8月に対面しました。
移行は完了した。この工事は技術誌で精力的に報道され、その成功報告は土木工学界全体に知らしめられた。アメリカで初めて完成した大規模水中トンネルであり、世界でも初めて本格的な鉄道輸送に対応できる規模のトンネルであったセントクレアトンネルは、こうした工事を取り巻く疑念を払拭し、その後、細部においてのみ変化を遂げたトンネル工法のパターンを確立した。
8つの模型のうち、原図に基づいて製作されたのは、この1つだけです。カナダ国鉄は、シールドとライニングの全要素だけでなく、建設に使用された補助装置の多くについても図面を所蔵しています。このような資料が現存するのは稀で、この模型が現存するのは、リスクと不確実性への代償として民間請負業者に高い利益率を支払うことを避けるため、鉄道会社が自ら契約を締結し、すべての原図を保存したという先見の明があったからです。
本稿では、トンネル工学を歴史的観点から包括的に論じてきたが、トンネル工学の進歩は不確実性の要素を顕著に排除したわけではなく、むしろそれらの力に対抗するためのより積極的かつ効果的な手段を提供したに過ぎないことを改めて認識しておくべきである。依然として、隠れた水路、地質学的断層、地層の変動、不安定な物質、そして極度の圧力と温度の領域といった、予期せぬ事態に直面する必要がある。
書誌
アグリコラ、ゲオルギウス. 『メタリカについて』. [英訳 HC and LH Hoover ( The Mining Magazine , London, 1912).] バーゼル: フローベン, 1556.
ビーチ、アルフレッド・イーリー著 『ニューマティック・ディスパッチ』ニューヨーク：アメリカン・ニューズ・カンパニー、1868年。
ビーミッシュ、リチャード著 『サー・マーク・イザムバード・ブルネルの回想録』ロンドン：ロングマンズ・グリーン・アンド・ロバーツ社、1862年。
バー、SDV 『ハドソン川下のトンネル工事』 ニューヨーク：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、1885年。
ウィリアム・チャールズ・コッパースウェイト著『 トンネルシールドと水中工事における圧縮空気の利用』ニューヨーク：D・ヴァン・ノストランド社、1906年。
ドリンカー、ヘンリー・スタージェス著 『トンネル工事、爆薬、削岩機』ニューヨーク：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、1878年。
ラトローブ、ベンジャミン・H.フーサック・トンネルに関する報告書（ボルチモア、1862年10月1日）。 『トロイ・アンド・グリーンフィールド鉄道とフーサック・トンネルに関する委員報告書』 125～139ページ、付録2。ボストン、1863年。
ロー、ヘンリー著『テムズトンネルの回想録』 ウィールズ季刊工学論文集（ロンドン、1845-46年）、第3巻、1-25ページおよび第5巻、1-86ページ。
ニューヨーク州ブロードウェイの地下空気トンネル、 Scientific American（1870 年 3 月 5 日）、154 ～ 156 ページ。
トロイ・アンド・グリーンフィールド鉄道とフーサック・トンネルに関する委員の報告書、マサチューセッツ州知事閣下およびマサチューセッツ州行政評議会閣下宛、1863 年 2 月 28 日。ボストン、1863 年。
ストロー、チャールズ・S.ヨーロッパのトンネルに関する報告書（ボストン、1862年11月28日）。トロイ・グリーンフィールド鉄道とフーサック・トンネルに関する委員報告書、5～122ページ、付録1。 ボストン、1863年。
セントクレアトンネル。エンジニアリングニュース（1890年10月4日から12月27日まで連載）。
脚注:
[1]地下道や水中の通路を開通させるには、2つの重要な二次技術がありますが、どちらも真のトンネル掘削方法ではありません。その1つは古くからある「カットアンドカバー」方式で、主に浅い地下鉄やユーティリティ道路の建設に用いられています。この方式では、開いた溝を掘削し、その上に屋根を架けます。結果として、実質的にトンネルが完成します。もう1つの方式の概念は19世紀初頭に提唱されましたが、実用化されるようになったのは近年のことです。これは「トレンチ」方式と呼ばれ、水中版のカットアンドカバーとも言えます。水底に溝を浚渫し、そこに大口径のプレハブ管を連続的に降ろします。次に、継ぎ目をダイバーで密閉し、溝を管の上に埋め戻します。そして、その端部を陸上の坑口まで持ち上げ、水を汲み出すことで、地下通路が完成します。チェサピーク湾橋梁トンネル（1960-1964）は、この種の建築物の最近の主要作品である。
[2]1952年、この計画に基づいて、回転する切削ヘッドに硬化ローラーを取り付け、岩石を粉砕する成功した機械が開発されました。このアイデアは基本的に妥当であり、特定の状況において従来の掘削・発破システムよりも優れた利点を有していました。
[3]1807年、著名なコーンウォールの技師トレビシックは、テムズ川の下に幅5フィート×長さ3フィートの小さな木造坑道の掘削を開始しました。これは、より大きな車両用トンネルの探査通路として利用されました。正面面積が小さかったため、彼は約300メートルまで探査することに成功しましたが、その後、川が決壊し、作業は中断されました。鉱山トンネルはアイリッシュ海やニューカッスルの炭鉱地帯の様々な川の地下にも達していましたが、これらは地表よりはるかに深く、完全に固い地盤の中にあったため、水中採掘とは考えにくいものでした。
[4]ブルネルトンネルとは異なり、このトンネルは両端から同時に掘削されたため、1シフトあたりの掘削量は18インチではなく3フィート（約90cm）でした。理想的な条件下では、シールド1基あたり1日あたり最高9フィート（約2.7m）の速度で掘削することができました。
[5]理想的には、空気圧駆動式トンネルの作業区域内の空気圧は、外部の水の静水頭とちょうど釣り合う必要があります。静水頭は、開口部からの高さに依存します。空気圧が十分でなければ、当然水が侵入します。また、空気圧が低すぎると、支えのない地盤が完全に崩壊する危険性があります。空気圧が高すぎると、水による圧力がそれを上回り、空気は地盤を通り抜け、次第に大きくなる開口部から押し出され、ついには「噴出」して一気に噴出します。加圧された空気がなくなると、水は同じ開口部から流入し、作業区域を浸水させます。
転写者のメモ
明らかな誤植はすべて修正しました。書式の不統一と綴りは統一しました。図解によって分割されていた段落は再結合しました。索引は出版物の索引から抜粋しました。
図22のテキストの転写。図の説明部分に若干の修正を加えてテキストを転写した。
毎日（日曜日を除く）
午前7時から午後8時まで一般公開されています。
テムズトンネル。
図 1 はテムズ川の横断面と、その下にトンネルの縦断面を示しています。トンネルが完成したら、勾配に応じた上り坂が描かれます。
図2は、坑道から見たトンネルの2つのアーチ型の入口を示しています。
図 3 は鉄の盾を表したもので、各区画に作業員が 1 人いる様子を示しています。
トンネルの入口はロザーハイズ教会の近く、ロンドン・ドックのほぼ向かい側にあります。川から最も近い船着場はチャーチ・ステアーズです。下道を通るグリニッジ・バスとデプトフォード・バスは、チャリング・クロス駅とグレイスチャーチ・ストリート駅から1時間ごとに出発し、ロザーハイズ工場のすぐ近くを通ります。
トンネル関連の書籍は工場で入手できます。
一般の方は、1人あたり1シリングを支払えば、毎日（日曜日を除く）午前7時から午後8時までトンネルを見学することができます。
トンネルの北端は現在、頑丈な壁で守られていますが、訪問者は川のほぼ中央まで、石油ガスで明るく照らされた、乾燥した暖かい砂利道を見つけるでしょう。
入口はロザーハイズ ストリート側にあり、安全で広く、登りやすい階段を上ります。
H. Teape & Son、印刷会社、タワーヒル、ロンドン。
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「トンネル工学：博物館的扱い」の終了 ***
《完》