月刊ポピュラーサイエンス/第45巻/1894年8月号/偉業の物語

1891年9月19日、グランド・トランク鉄道会社の社長であるヘンリー・タイラー卿は、大胆な発想と新しい設計、そして建設に採用された多くの手法において、現代における最大の工学的成果の1つの落成式に立ち会った。このトンネルがなければ、昨年の夏にシカゴで開催された世界コロンビア博覧会に流れ込んだ東側からの膨大な交通量をうまく処理することはできなかっただろう。

このトンネルが建設される以前は、グランド・トランク鉄道と交通の便の良い西側の道路との間の連絡は、フェリーによって維持されていた。より良い方法がないかと採用されたこのサービスは、決して満足のいくものではなかった。ヒューロン湖の全水量が狭い出口から流れ込むため、冬に川が凍ることはありませんが、氷塊ができることがあり、1日でも通行が中断すると深刻な不便と損失が生じました。橋の建設がしばしば提案されたが、船舶関係者の反対でいつも失敗に終わっていた。セントクレア川の航行シーズンには、1年間にスエズ運河を通過するよりも多くの船舶、大きなトン数の船舶が上り下りしている。高架橋は不可能であり、引き込み線は交通に大きな支障をきたし、潮流の関係で船舶に危険を及ぼすことになる。そこで、唯一の選択肢はトンネルであった。このトンネルが完成すると、よりよい横断が可能になるだけでなく、有利な条件があれば、このような工事は成功し、経済的に建設される可能性を確立することができる。その建設の経緯は興味深いものである。

図1

このトンネルは、直径20フィート、長さ6,26フィートの大きな鉄の筒で、川の下に埋められているが、そこに設置するにはかなりの工夫が必要であった。1884年、この工事の主任技師ジョセフ・ホブソンと助手のヒルマンが、サーニアとポートヒューロンの町から1マイル下の川を測量した。この地点は、自動車が行き交う場所ほど狭くはないが、河床の性質がより好ましいと思われた。ボーリングは、川面から86フィート下の岩盤まで行われた。最大水深は40〜47フィート。2フィートの海辺のような黄色い砂、12フィートの流砂と青粘土の混合物、21フィートの粘着性とパテのような性質を持つ青粘土、そして岩から成っていることが分かった。1886年に会社が設立され、1889年1月に工事が開始された。流砂や粘土を水中で掘削することの難しさや、天然ガスが漏れ出す亀裂だらけの岩盤の近くでは、様々なテストや実験が必要だったため、川の両側に2つの大きな掘削シールドを設置することになったのです。カナダ側で深さ58フィート、アメリカ側で深さ53フィートの2つの開削が行われ、シールドはその中に下ろされて作業を開始する準備が整いた。アメリカ側のシールドは7月11日に、カナダ側のシールドは9月21日に作業を開始した。そして、1890年8月30日、6,000フィートの距離を移動した後、両者は合流した。作業は電灯を頼りに昼夜を問わず行われ、3つのギャングが8時間交代で雇われた。1日平均10フィート、1日の最高到達点は27フィート10インチであった。

図2.旧鉄道用渡し舟

このトンネルは、このシールドなしには建設できなかっただろう。このシールドの発明は、ニューヨークのアルフレッド・E・ビーチ氏によるもので、彼は1868年にブロードウェイ下のトンネル建設に使用するためにこれを設計した。その後、バッファロー、シカゴ、ハドソンリバートンネルなどで使用されるようになった。トンネル工事におけるシールドの使用は、1825年にマーク・I・ブルネイ卿によって初めて導入され、その後グレートヘッド氏によってテムズ・トンネルなどで採用されたが、セント・クレア・シールドはそれまでのものとはいくつかの重要な点で異なっている。セントクレア・シールドは、直径21フィート6インチ、長さ16フィートの鉄の円筒で、厚さ1インチの鋼鉄でできており、前面に鋭い刃が付いている。2本の水平ステーと3本の垂直ステーで12個の区画に分けられている。重さは50トンで、材料はハミルトンの作業場で準備され、その場で組み立てられた。シールドの後端には、直径8インチ、ストローク24インチの油圧式ラムが24個並んでいた。これが切刃を粘土の中に押し込んで、シールドの中に掘り込んでいく。ワージントン社製のポンプを使えば、1平方インチ当たり5千ポンド（約3千トン）の圧力をかけることができる。最大圧力は、1平方インチ当たり1700ポンド（約160トン）であった。この圧力は、シールドの方向を維持するために、どのラムにも、あるいはすべてのラムにかけることができた。この方向性を保つことが、この工事の興味深い技術的な偉業の一つであった。これは、石積みの上に設置された特製のロンドン・トランシットで行われ、一連の円盤と十字線がわずかなずれを示すようになっていた。 毎日観測が行われ、その結果が図に書き込まれた。偏差が1/4インチを超えることはほとんどなく、誤差は油圧ジャッキの調整で修正された。そして、その誤差は油圧ジャッキの調整で修正され、シールドが組み合わさった時、正確に一列に並んでいることが確認された。

図3.セントクレアトンネルの断面

一時は工事を断念せざるを得なくなるのではと心配された。カナダ側からのトンネルが川底に達した時、流砂と水で大変なことになったが、圧縮空気で克服した。トンネルの両側には、レンガとセメントでできた隔壁が築かれ、気密ドアを備えた2つの空気室が設けられていた。砂と水の浸入を防ぐのに必要な最大気圧は1平方インチ当たり37ポンドで、この気圧の下で、作業員は30分交代で仕事をこなすのに何の支障も感じなかった。圧縮空気の使用は、2カ所で必要に迫られた。

完成したトンネルは、すでに述べたように鉄管である。この鉄管は、幅18インチのリングで構成されており、シールドを前進させるたびに、そのリングの1つがシールド内に組み合わされた。各リングは13個のセクションとキーピースからなり、ボルトで結合できるようにフランジが付けられている。セクションの本体は2インチの厚さで、フランジは6インチ幅である。各部の重さは約1,000ポンド。回転クレーンで吊り上げて所定の位置に置き、1時間ほどで完成した。圧力を和らげ、接合部を水密にするため、端は鉋で削られ、オーク材とタールキャンバスの短冊が差し込まれた。さらに、その部分を熱し、ピッチに浸した。筒の直径は21フィート、シールドは21フィート半なので、シールドが前進するときの筒の下の空間はセメントで埋められた。そして、その上部に粘土を沈殿させた。シールドが合流するとき、筒はその中で合流点まで積み上げられ、シールドの殻は残されていた。管の内側は、錆びないように調合して仕上げてある。

1890年8月24日（日）、2つの掘削はほぼ接近していたので、アースオーガーで開口部を作り、作業員たちは互いに話をしたり、物品を渡したりしていた。やがて土が取り除かれ、主任技師のホブソン氏らトンネル会社の関係者が踏み切った。その6日後、トンネルは完成し、この大事業の成功は確実となった。工事には約700人が従事し、平均以上の知能を持ち、この仕事に大きな関心を寄せていた。

図4.トンネルと河床の断面図

トンネルの長さは、入口から出口までで6,266フィートである。このうち、2,300フィートと10フィートは川の下、1,900フィートと82フィートはカナダ側の乾いた地面の下、17,300フィートと43フィートはアメリカ側の乾いた地面の下である。カナダ側の地表に達するまでの開削距離は3,661フィート、アメリカ側は2,400,666フィートです。勾配は川の下を除いて50分の1で、実質的には水平ですが、カナダ側には排水のために10分の1の十分な傾斜がつけられている。川の平均水位下での最下部の深さは77～83フィートです。管の上部と川の底の間の最小深度は15フィートで、平均は25フィートです。水や泥の中では空気が入っているチューブが浮き上がりやすいので、勾配を考慮してできるだけ粘土の中に設置する必要がありました。底は粘土の下にある岩盤から約9フィートの高さにある。カナダ側では、底はポータルの地表から60フィート下にあり、アメリカ側では8フィート下にある。最も低い位置でのトンネルの底は、平地の線路より100フィート下にあり、これは列車が通過する際に行わなければならない全上昇と下降を示す。換気は、列車の動きによって確保され、その目的には十分であることがわかる。

図5.トンネル掘削で使用したシールド

列車は、トンネル会社の強力な機関車で、この目的のために特別に作られたものである。列車は、この目的のために特別に作られたトンネル会社所属の強力な機関車によって牽引され、一度に18台の積載車両を運ぶ。

トンネル内の線路は、添付の断面に示すように、頑丈なレンガの上に支えられている。当初は線路2本分の幅のトンネルを建設することが提案されたが、単線のトンネルを2本作った方が安上がりで、しかもそのうちの1本はすぐに通行のために利用できることがわかった。しかし、経験上、2本目のトンネルは当分必要ないだろう。このトンネルが使用された二年間に、二十四時間の間に通過した貨車の最大数は千五百台であり、必要ならば二千五百台を処理することができる。平均すると、冬は七百台、夏は五百台である。これは、旅客列車に加えてのことである。

図6.トンネル入口

この大工事の費用は250万ドルから300万ドルと見積もられていたが、実際の費用はかなり少なかった。この工事は、請負業者が負うべき大きなリスクと、そのリスクをカバーするために必要な多額の費用を考慮し、資材のみを契約し、会社が工事を行った。 開通式は、2つの町だけでなく2つの国を結び、現在立ちはだかっている関税障壁が取り除かれれば、国際貿易の大幅な拡大を可能にする、このような工事の完成にふさわしい華やかさで行われた。宴会は、セント・クレア川の水面下のトンネル内で、国際境界線の一方にカナダ総督、他方にアメリカ大統領を座らせて行うことが提案されたが、この部分は断念せざるを得なかった。300人の招待客が、トンネルを通り抜け、正式に開通した後の晩餐会には、科学、文学、政治の各分野の著名人が、かつてカナダで同じように集まったことがないほど多く集まってきた。

図7.トンネル内部

関税障壁といえば、チューブの端の部分が、カナダ側のものはハミルトンで、アメリカ側のものはデトロイトで作られ、関税の支払いを免れたという事実が思い起こされる。 この大仕事を成功させたのは、他の誰よりもカナダ人のジョセフ・ホブソンである。ホブソン氏は設計者であり、デザイナーであり、建設者でもあった。当初、彼の提案は技術者からあまり歓迎されなかったが、結果はグランドトランク社の社長ヘンリー・タイラー卿、前社長のジョセフ・ヒクソン卿、後継者のサージャント氏がホブソン氏を全面的に支持し、その信頼を裏づけるものであった。特筆すべきは、ホブソン氏がアメリカ大陸で職業訓練を受け、東はケベック市より遠くに行ったことがないことである。ホブソン氏は、イギリス、アメリカ、カナダの土木学会に所属しており、世界で一級の技師の一人に数えられる権利を確立している。

セント・クレア・トンネルの成功は、間違いなく多くの類似した工事の建設に続くだろう。1872年、カナダのグレート・ウェスタン鉄道（現在はグランド・トランク鉄道の一部）が独立していた頃、デトロイト川の下のトンネルの試験が行われ、排水用のトンネルが少し掘削されたことがある。しかし、流砂が発生し、シールドと鉄管はトンネル工事に採用されなかったため、この計画は断念せざるを得なかった。このプロジェクトが復活し、さらに調査を進めて条件が整えば、長さ1万2千フィート、直径2万7千フィートのトンネルができ、2本の線路を収容することができます。ミシガン・サザンもサーニアから少し離れた交差点で試験を行っているが、地層がトンネル建設に適しているとは言えない。

セントクレアトンネルに関する顕著な特徴の1つは、その建設の速さである。平均して1カ月に455〜4フィートの前進があった。これは、1825年に着工し、一時的に工事が中断されたものの、1843年まで完成しなかった長さ3,600フィートのテムズ・トンネルと対照的である。工事の早さを物語る、ある不思議な出来事がある。自分の商売で仕事が得られないクーパーが求職し、掘削機と一緒にシールドに入れられたのである。彼は鋤やシャベルを使う習慣がなく、ドローナイフが彼の道具であった。鋤で粘着性のある粘土を掘るのは大変な作業で、それを取り除くのに有効なのは、イギリスで瓦葺き職人が使っているような細長い鋤だけであった。翌日、鍬師は半円形のナイフを持って現れ、仲間の冗談をよそに、さっそく作業に取り掛かった。すぐに、彼は粘土を掘り出すよりもはるかに速く削り取ることができることがわかった。その後、すべての職人がドローナイフを持つようになり、粘着性のある粘土を掘るための道具として定着していったようである。 添付の図版は、完成後の工事の特徴、進行、外観を示すものである。