地下構造物２
１、マンホール
マンホールとはmanholeつまり、man（人）hole（穴）で、
人が地下構造物に点検や工事等で入るための立坑を言います。
マンホールは地中配送電線、電話線、下水道、雨水路、
都市ガスなどの点検用として設置されています。
ただ、上水道だけは埃や虫、雑菌などの侵入を防止するためと、
圧送管に空気が入って水圧が低下することを防止するため設けられません。
マンホールの構造は色々ありますが、
基本的にはバイコンシールなどで筒を連結したものが使われます。
マンホール内は狭く、空気も少ないため、
作業員が中で作業する場合は、空気をマンホール内に送り込む必要があります。
また、下水道などは硫化水素が発生している可能性が高いため、
空気を送りつつ、火気に気をつける必要があり、
場合に寄ってはガスマスクの着用をします。
マンホール上部は重い蓋で閉じられており、
専用の器具を使わないと開閉できない仕組みになっています。
更に、人が蓋の上に乗ったとき滑らないよう、
蓋の表面には様々な模様が付けられています。
昔の蓋の模様は幾何学模様中心だったのですが、
最近はご当地イラストを模様に付けているところも多くなっています。
２、地下構造物の特殊条件
２－１、地下鉄道（地下鉄）
地下鉄の特殊条件は、「いかにトンネルの断面を小さくするか」になります。
車などに比べると鉄道車両は車高が高いのと、
パンタグラフ集電式の場合、
架線の高さも必要になります。
また、軌道面もレールの高さがあるため、
どうしても断面が大きくなりがちです。
しかし、断面を大きくするほど建設コストがかかるため、
様々な工夫が必要になります。
方法としては、架線側の高さを減らす目的で、
第三軌条式にする方式と、剛体架線を用いる方式があります。
逆に車両の床下高をできる限り低くする方式に、
リニアモーター方式を採用する場合があります。
第三軌条式とは従来の架線に代えて、
線路脇に電流の流れた（３本目の）レールを設置し、
そこから集電靴（しゅうでんか）という装置で電気を集電する方式です。
第三軌条式は車両の上の架線がないため、
その分、トンネルの高さを低くすることができます。
蒸気機関車による地下鉄が発祥だったイギリスは、
この方式で電化するのがトンネル拡幅が不要で効率的だったのと、
郊外路線も地下鉄に合わせてこの方式を採用したため、
広く普及しました。
一方、日本の郊外路線は架空集電式の電車が主流なため、
第三軌条式を採用してしまうと、
郊外路線に直通できない欠点があります。（一部の路線は除く）
日本の各都市によって事情が異なるのですが、
基本的には新しく建設される路線では、
第三軌条式を採用しないことが多くなっています。
また、別の問題として、第三軌条式は線路側に高圧電流が流れているため、
もし、人がホームから線路へ転落した場合、
感電事故につながる危険性があります。
現在、第三軌条式の地下鉄の駅はホームドアが整備されているので、
リスクは抑えられているとはいえ、
ふとした拍子に線路に侵入する人もいるかもしれないので、
完全に安全になったと言い切ることはできません。
東京では東京メトロ銀座線と丸の内線しかこの方式を採用していませんが、
大阪ではOsakaMetro御堂筋線を始め、
５路線で採用されています。
その他、札幌市営地下鉄南北線、横浜市営地下鉄ブルーライン、
名古屋市営地下鉄東山線、名城・４号線などで採用されていますが、
いずれも開通が比較的古い路線です。
リニアモーター式は一般的に、
高速鉄道や名古屋のリニモのように浮上はしない鉄輪式リニアモーターで、
線路側に敷かれたリアクションプレートと、
車両側に取り付けられたリニアモーターが反発推進を繰り返すことにより、
列車を走行させます。
リニアモーターは、
通常の電車にある三相交流モーターなどと比べて平べったい形をしているため、
車高を低くすることができ、その結果、トンネル断面も低くできます。
第三軌条式と同じく、
規格の異なる郊外路線に直通運転できないという欠点がありますが、
逆に直通しないため、郊外路線に車両規格を合わせる必要もありません。
そのため、車体断面を郊外路線の車両よりコンパクトにすることができ、
更にトンネル断面を小さくすることができます。
第三軌条式のように、線路内への人の侵入による感電リスクも少なく、
エネルギー効率も良く、
急勾配などにも強いため、
最近は第三軌条式に代わってこの方式を採用することが多くなっています。
OsakaMetro長堀鶴見緑地線に始まり、
仙台市営地下鉄東西線、都営大江戸線、横浜市営地下鉄グリーンライン、
OsakaMetro今里筋線、神戸市営地下鉄海岸線、福岡市営地下鉄七隈線など、
現在では多くの路線で採用されています。
郊外路線に乗り入れる場合は、架線集電式にせざるを得ません。
しかし、従来のカテナリー方式（平たく言えば電線）で架線を張ってしまうと、
トンネルの断面が大きくなってしまいます。
また、地下という特殊事情もあり、
地下水などで架線が腐食し、
断線してしまう可能性もあります。
そこで採用されるのが剛体架線で、
これは、天井に炭素鋼レールを半分にしたような形状の剛体を吊して電気を流し、
そこから電気を集電するという方式です。
剛体架線はパンタグラフを押し下げるので、
パンタグラフの追従性が良くなるという利点もあります。
欠点は弾力性に乏しいため、
高速運転には不向きなことです。
ただ、地下鉄は郊外路線ほど高速で走らせるわけではないので、
この点についてはそれほど大きな問題とはなりません。
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更なる特殊条件はトンネルの廃熱問題です。
地下鉄道は、
電車のモータや抵抗器から発生する熱でトンネル内が高温になってしまいます。
更に車両冷房の室外機からでる廃熱もあり、
地下鉄道は温度が上がる要因が多々あります。
昔はトンネル内を冷房化して、
車両冷房は行わない方式を採用していましたが、
最近の温暖化の中、車内冷房を切るのは、
いくらトンネル内を冷房していても厳しくなっています。
一方、最近の列車はＶＶＶＦインバータ制御が普及して抵抗器などが無くなったため、
それほど列車の機器から熱を発しなくなりました。
そのため、現在は駅構内を除いてトンネル冷房を止め、
車内冷房になっています。
また、車庫、車両基地に関しても特殊条件があり、
基本、地下鉄道でも車庫等は地上に造るのが一般的です。
地下トンネル内に車庫等を造ると、
地下漏水で車両が腐食しやすくなったり、
車内に結露やカビなどが発生しやすくなるからです。
「地上でも雨などで車両が腐食する」と思う方がいらっしゃると思いますが、
日本の場合、地下鉄が走っている大都市エリアは海が近く、
地下水に塩分が含まれているケースがあります。
そのため、地下水に長く浸されると腐食のスピードが早くなってしまいます。
とはいえ、
住宅が密集している大都市部で広大な車庫用地を確保するのは難しいため、
やむを得ず車庫を建設する場合は、
開削工法で地面を掘り下げ、
躯体を完成させたあと、透水しにくい公園などの人工地盤（地図のページ７参照）で
覆う方法が一般的です。
人工地盤にして、本格的な土砂埋め戻しをしないのは、
土砂を埋め戻したあと建物等を建ててしまうと、
車庫の大規模工事の際、
地上にある建物も解体しなければならなくなる可能性があるからです。
２－２、地下道路（地下道）
地下道路の特殊条件といえば、やはり排気ガスの処理に尽きると思います。
現在、乗用車においては電気自動車も普及していますが、
トラックやダンプカーなどは今でも軽油によるディーゼルエンジンの車が主流です。
なので、現代においても排気ガス処理が重要になっています。
排気ガスの処理は、
トンネル内の排気ガスを含んだ空気を外へ排出し、
その代わりに新鮮な空気を入れることになります。
一般的にはトンネル内に充満した排気ガスを含んだ空気を、
トンネル上部や下部、あるいは配管などを通して坑口や排気筒から放出し、
新鮮な空気を別経路からトンネル内に送り込みます。
今、「トンネル上部や下部、配管など」を通してと書きましたが、
現在はトンネル上部を空気の通り道（ダクト）にする場合、
その仕切りを吊り天井方式にすることは、避けられるようになっています。
これは2012年に起こった、
笹子トンネル天井板崩落事故が大きなきっかけになっています。
笹子トンネルの天井板崩落事故は、
吊り天井を吊る器具が老朽化により外れ、
天井の重みで天井板が落下し、
通行していた車が下敷きとなり、９名の命が奪われました。
体育館や屋内プールなどの構造物もそうですが、
基本的に吊り天井は崩落する危険があるため、
柱の少ない構造物では使用を避ける必要があります。
（使用するのなら、十分な耐震強化対策が必要）
空気をダクトで送る以外の方式では、
ジェットファンを使う方式があります。
ジェットファンによって排気ガスを含んだ空気を排気筒や坑口に押し出します。
排気ガスを含んだ空気が出ることでトンネル内の気圧が下がるので、
その分、新鮮な空気が排気筒や坑口から入ってきます。
なお、排気に関しては単に排気しただけでは、
炭化水素や窒素酸化物、二酸化硫黄、すすなどの有毒成分が放出されてしまうため、
集塵機や脱硝装置でそれらの成分を取り除きます。
ちなみに脱硝装置とは、
アンモニアや尿素などで窒素酸化物を水と窒素に変える装置です。
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なお、地下鉄道も地下道路も万が一の事故に備えて避難経路の確保が重要になります。
よく使われる方式が、
トンネルに並行して避難用トンネルを設ける方法です。
地下鉄道の場合、
スペース等の関係から避難路を造ることができない場合があるので、
車両前面には必ず非常扉を設け、
そこから線路に沿って避難する方式が採用されることが多いです。
なお、地下鉄道のトンネル断面が一定以上の場合や、
別途避難路の確保ができる場合には、
例外的に非常扉を設けなくても走行できる場合があります。
２－３、地下駐車場
地下駐車場の特殊条件は防火対策、つまり火災への対策です。
地下駐車場では、まず感知器で煙を感知します。
その電気信号は制御盤を通り、
流水検知装置（水泡・水噴消火装置）、
閉止弁（不活性ガス消火装置）などへ開放の指令を送り、
消火剤を噴射ヘッドから噴出させ消火します。
消火方法は色々あり、
水泡消火方式（水の泡を噴出して消す）
水噴消火方式（水をシャワーように撒いて消す/スプリンクラー）
消火剤消火方式
不活性ガス消火方式（二酸化炭素や窒素を送って酸素濃度を減らして消す）
ハロゲン化物消火方式（フッ素や塩素などを噴射して消す）
などがあります。
なお、最後の二つの方式は消火後、
消火剤や水などの残留物が残らず、
車や機器などを汚したり破損させたり、濡らしたりするリスクを抑えることができます。
３、地中送電（無電柱化）
配電線や送電線、電話線などの通信線を、
架空線式から地中線式にすることを地中送電（無電柱化）と言います。
地中送電にすると、電柱や電線で都市景観を乱されることがなくなり、
地震等で電柱が倒壊し、
緊急車両の通行を妨げてしまうというリスクも無くなります。
一方、工事コストがかかることと、
トラブルが起こった場合、復旧に時間がかかること、
複数のインフラの近接による複合的な事故が起こる可能性があることです。
（電線から放電した火花～ガス管のガスや下水道の硫化ガスに引火～爆発等）
また、実は無電柱化することにより、雷害のリスクも増える可能性があります。
この図は配電用変電所から、
家庭やオフィスなどに電気を送る配電線を例にしています。
地中に6600ボルトの三相交流による高圧配電線を通し、
地上側には一定間隔で配電箱を設けます。
配電箱にはカットアウト（断路器）や変圧器が入っており、
変圧器によって100ボルトないし200ボルトに電圧を下げます。
この電圧を下げた電気を流す線が低圧配電線で、
一般家庭や電灯などに電気を配る役目をしています。
一方送電線には22000ボルトから100万ボルトまで、
様々な送電線があります。
ただし、地中送電線は基本、275000ボルトを上限にしており、
幹線となる送電線は通常の２回線ではなく、
３回線にすることが多いです。
３回線にする理由は、
電圧が275000ボルト上限とする地中送電の事情があり、
１回線が工事等で使用できなくても残りの２回線で送電できるようにしているためです。
なお、昔は送電線の導体の周りに絶縁紙を巻き、
導体の外側ないし内側に絶縁油を流して絶縁させる方式を採用していたため、
地上には油槽が設けられていました。
現在は架橋ポリエチレンを導体に巻いて絶縁させる方式が主流のため、
油槽は徐々に減りつつあります。
４、炭鉱、鉱山、ベルトコンベア
現在、日本において炭鉱や鉱山は殆ど閉鎖閉山してかつてほど残っていません。
しかし、昔は各地に存在していました。
炭鉱や鉱山では鉱物を掘り進めるため、大規模な地下構造物が造られました。
この図はかなり簡略化していますが、
実際の炭鉱、鉱山では縦、横、斜めと、縦横無尽に掘り進められており、
迷路のような構造になっています。
一番先端の掘っている面を「切羽」と言い、
そこから掘り出された岩石は、
トロッコやベルトコンベアに載せられて地上設備まで運ばれます。
勿論、その時点ではまだ岩石の塊の状態なので、
地上には選鉱場などが設けられ、
不要な岩石を取り除き、必要な鉱物を取り出していました。
なお、炭鉱の場合、不要な岩石や土砂等は炭鉱の周辺に積み上げていました。
こうしてできた山を「ボタ山」と言い、
現在でも九州を中心に各地でその名残を見ることができます。
炭鉱、鉱山は地下深く行くほど空気が不足しやすくなるため
所々に通気用の立坑が設けられ、
換気設備を通して空気を送り込んでいました。
崩落や浸水、掘削機から出る火花による火災など、
炭鉱、鉱山は危険が伴う現場で、
重労働だったことから、
賃金は普通のサラリーマンより高かったそうです。
セメントなどの石灰石は採石場からセメント工場までトラック輸送をするのが基本で、
場所によってはトラック輸送専用道路を設けているところもあります。
一部は採石場からセメント工場までベルトコンベアで輸送しているところもあります。
基本的にはベルトコンベアの大部分をトンネル内に通していますが、
一部には地上区間もあります。
ただし、地上区間についても風による粉塵飛散防止と、
ベルトコンベアに人が侵入して事故を起こさないよう、
シェルターで覆われているところが殆どです。
ベルトコンベアは全長数十㎞に及ぶ区間を結ぶこともあるため、
１本の直線ベルトコンベアで輸送するのは難しいです。
そこで、途中に積換所を設け、
別のベルトコンベアへリレーのように載せ替えています。
また、セメント工場にそのまま送り込んでしまうと、
工場側の処理能力が追いつかなくなる場合があるため、
一部の積換所には「貯鉱所」という、
一時的に石灰石を保管しておくところを設ける場合があります。
東京近郊では群馬県神流町の叶山から、
埼玉県秩父市の秩父太平洋セメント本社工場までを結ぶ、
「秩父太平洋セメントベルトコンベヤー」と、
埼玉県横瀬町の武甲山から埼玉県日高市の太平洋セメント埼玉工場までを結ぶ、
「武甲鉱業ベルトコンベヤー」が有名です。
ちなみに、今はどちらも太平洋セメント系列になっていますが、
前者は元・秩父セメント、後者は元・日本セメントと別系列でした。
５、地下ダム
地下ダムとは文字通り、地下にあるダムのことですが、
一般のダムと仕組みが異なり、
地下透水層に浸透している水が下流に流れないように貯水する設備になっています。
地上の起伏が少なく従来のダムが建設できない所、大きな河川が無い離島
透水層が厚く、
水はけが良すぎて地中深くまで井戸を掘らなければならない地域などに造られます。
地下ダムは一般的なダムとは違って、
水没する地域が発生しないメリットがあります。
地下ダムは透水層に貯まった地下水を止水壁で堰き止め、
地下水が下流方向に流れないようにします、
止水壁が海に近い場所にある場合は、
海水が入り込むことを防ぐ役目もあります。
貯水域には取水設備が何ヶ所か設けられ、
ポンプにより水を汲み上げ、
各地へ配水しています。
止水壁の大部分は地下に埋まっていて、
地上から直接見ることはできません。
また、透水層の地中深くに水が蓄えられているため、
実際にどれくらいの貯水量があるのか把握できません。
そのため、透水層の一部分を掘り下げて、
止水壁が見えるようにしている部分があります。
その部分を「水位観測施設」と言います。
地下ダムは鹿児島県や沖縄県の離島などに多く建設されています。
６、地下発電所
揚水式水力発電所は大規模な発電設備が必要なのですが、
大体は地形的に急峻な地域が多く、
発電所を建設する用地が確保できない場合が多いです。
また、発電所の建設によって自然環境を大きく変えてしまう可能性もあります。
その際に造られるのが地下発電所です。
地下発電所の多くは揚水式水力発電所ですが、
一部の普通の水力発電所でも地下式（半地下式）にしているところがあります。
地下発電所は上部貯水池と下部貯水池の間にあります。
水力発電所はランナという水車を水圧で回して、
それと同軸で繋がれた発電機も回して発電をします。
発電所は発電機から発する騒音が大きいという問題がありますが、
地下に設置することで、騒音を抑えることができます。
東京近郊にある大規模地下発電所としては、
山梨県大月市の葛野川発電所が有名で、
上部貯水池が大菩薩湖、
下部貯水池が松姫湖になっています。
７、地下貯蔵施設等
地下貯蔵施設は色々あり、
ワインや日本酒などの酒類や食料品の貯蔵施設、
キノコやもやしなどの栽培施設、
氷などを保管しておく氷室などがあります。
これらはいずれも地表より地下の方が気温が低く、
温度変化が小さいことを利用しています。
ただ、地下貯蔵施設中でも最近、色々話題になっているのは、
核廃棄物の地下貯蔵・処分施設だと思います。
核廃棄物は一時貯蔵施設で保管した後、
最終処分施設に運ばれます。
核廃棄物はガラス（キャニスタ）で固めて封じ、
更にそれを厚い金属製の容器（オーバーパック）に入れます。
そして、地震等の刺激で破壊されにくくするために、
緩衝材として粘土でそれらを包んで最終処分施設の処分坑道へ運びます。
処分坑道は地上から約３００メートル以上の深さにあるため、
放射性物質から発せられる放射線を封じ込めるとともに、
地下水などによる浸水も避けることができるため、
金属製容器の腐食も防ぐことができます。
また、当然のことながら、
最終処分施設は地盤が強固で安定しているところでかつ、
活断層などがないところが選定されます。
将来的には数千年、数万年という長い期間にわたって保管するとしていますが、
現実問題として本当にそこまで長期間に渡って保管し続けられるのか疑問もあります。
（１０００年を日本の歴史で置き換えれば、
平安時代から令和の現在までの時間に相当する時間を管理し続けることになります。）
ただ、これは処理した放射性物質の種類によって異なり、
セシウム程度なら数十年で半減期になるので、
そこまで重く考える必要はないのですが、
プルトニウムだったら数千年～数万年、
ウランだったら億単位の年月が経過しなければ半減期になりません。
なので、こういった将来的な問題に真剣に考えつつ、
原子力政策を進めていく必要があります。
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