地下鉄が地震に強いとされるのは、トンネルが周りの地盤といっしょに動き、自分の重さで大きく振り回されにくいからです。1995年の阪神・淡路大震災でも、高架の阪神高速が倒れた一方、神戸の地下街はひび割れ程度で済みました。ただし地下駅が一つだけ崩れています。その大開駅（だいかいえき）の教訓が、いまの地下の耐震設計につながりました。
地下が揺れに強いのは地盤ごと動くから
高架は自分の重さで揺さぶられる
高架橋やビルは、地面に足をつけて空中に重い体を持ち上げた形をしています。地面が急に動くと、上の重い部分は取り残されるように遅れて揺れます。この「慣性力」が柱の根元に集中するため、柱が折れたり倒れたりする被害につながりやすいのです。
上に載る重さが大きいほど、また背が高いほど、揺さぶる力は強まります。重い橋桁を載せた高速道路の高架は、その典型といえます。
トンネルは周りの土に抱えられている
地下のトンネルや駅は、四方を土に囲まれた箱や筒です。地震が来ても、周りの地盤が動けばトンネルもほぼ同じように動きます。宙に浮いた重りがないので、自分の重さで振り回される力は地上の建物よりずっと小さくなります。
そのため地下構造物で問題になるのは、揺れの強さそのものより「地盤がどれだけゆがむか」です。箱の右側と左側で土の動きがずれると、そのずれを箱が受け止めることになるわけです。
設計も地盤のずれから計算する
この考え方は設計の方法にも表れています。土木学会の資料によると、トンネルの横断方向の耐震計算では「応答変位法」が主に使われる方向にあるとされます。地盤の変位を荷重としてトンネルに与え、そこへ躯体自身の慣性力などを加えて安全を確かめる方法です。
※ 応答変位法（おうとうへんいほう）とは、地震のときに地盤がどれだけ変形するかを先に求め、その変形を構造物に押しつけたときに壊れないかを確かめる計算方法のことです。
阪神大震災で地上と地下はどう違った？
阪神高速は635mにわたって横倒し
1995年1月17日午前5時46分、淡路島北部を震源とするマグニチュード7.3の地震が起きました。阪神高速の資料では、神戸線の高架が635mにわたって倒れたと記録されています。鉄筋コンクリートの橋脚がせん断破壊した例も挙げられています。
倒れたのは、橋脚と橋桁が一体になった「ピルツ橋」と呼ばれる区間でした。重い道路を柱で高く持ち上げる構造で、上で説明した「自分の重さで揺さぶられる」弱点がそのまま表れた形です。
神戸の地下街はひび割れ程度で済んだ
同じ神戸の地下はどうだったか。国土交通省の資料によると、市内の「さんちか」「メトロこうべ」「デュオこうべ」の3つの地下街は、いずれも部分的なひび割れ程度の軽い被害でした。三宮の「さんちか」は震度7の地域にありながら、構造物全体が崩れるような被害は出ていません。
天井の化粧板が店先で1か所落ちたほかは、天井板の落下も見当たらなかったといいます。さんちかは2か月後に営業を再開しました。しかもこれらの地下街は、震災後に整った現在の耐震基準で設計されたものではありません。
仙台でも被害は高架の区間に集中
同じ傾向は2011年の東日本大震災でも見られました。仙台市地下鉄南北線では、運行に響く大きな被害が八乙女駅から黒松駅の間の高架橋部分に集中しています。地下の区間には大きな損傷がありませんでした。一つの路線のなかで、地上に出た部分だけが傷んだ例です。地下と地上の差を比べるには、これ以上ないほど分かりやすい結果といえるかもしれません。
大開駅では何が起きた？
中柱が折れて天井が最大約3m沈んだ
崩れたのは、神戸市兵庫区にある神戸高速鉄道東西線の大開駅です。神戸市営地下鉄の駅ではありません。1962年から1964年にかけて造られた地下2階の鉄筋コンクリートの駅で、ホームのある階は幅17m・長さ約120mの箱の形をしていました。
箱の真ん中には、天井を支える「中柱」が3.5m間隔で35本並んでいました。地震でこの中柱が壊れ、厚さ80cmを超える天井の床板が折れ曲がります。最も大きい場所で約3m沈み、箱の断面はM字形につぶれました。
真上の国道28号が陥没した
駅の天井から地表までの土の厚さは約4.8mしかありません。天井が沈んだ影響はそのまま地上に伝わり、真上を通る国道28号の大開通が最大2.5m陥没しました。神戸新聞は、陥没が幅約17m・長さ約120mに及んだと伝えています。この数字は、駅の箱の大きさとほぼ重なります。地下で起きた崩壊が、道路の形となって地表にくっきり浮かび上がったわけです。
地下駅の大規模被害は世界で初めて
当時の調査報告は、地震で地下駅が大規模な被害を受けたのは世界で初めての出来事だと書いています。「地震に比較的強いといわれていた地下構造物も被害を受けた」という一文から始まる報告で、技術者にとっての衝撃の大きさが伝わってきます。
つまり題名の「地下鉄は地震に強い」は、大開駅を例外として含んだうえでの話です。強いのは構造の性質としてであり、どんな地下も無傷という意味ではありません。
なぜ大開駅は崩れたのか
柱がねばらずに一気に壊れた
神戸高速鉄道などの技術者がまとめた分析では、中柱が「曲げせん断破壊」を起こしたと推定されています。柱には上の土の重さが常に大きくかかっていました。そのうえ、柱をぐるりと締める帯鉄筋が少なく、横からの力に対して粘り強さが足りなかったと考えられています。
せん断破壊は、柱がしなって耐える前にスパッと割れるような壊れ方です。解析でも、駅の部材のなかで最初に降伏するのは中柱で、その直後にせん断破壊が起きるという結果が出ました。
※ 帯鉄筋（おびてっきん）とは、柱の縦の鉄筋を外側から輪のように巻いて締める鉄筋のことです。量が多いほど、柱は横からの力に粘り強くなります。
壁の多い場所は持ちこたえた
同じ駅の中でも、被害の大きさは場所によって違いました。電気室や開閉所があり、線路と直角の壁が多い区間では、箱の横方向の変形が壁で抑えられています。同じ土の厚さなのに、中柱の壊れ方は軽くて済みました。
壁の少ない長いホームの区間ほど、箱が横にずれやすく、そのずれを中柱だけで受け止めるしかありません。崩壊がそこに集中したことは、地盤のゆがみが箱をどう押したかをよく物語っています。
縦揺れの突き上げ説もある
原因の議論はいまも続いています。2020年の『構造工学論文集』に載った論文は、中柱の壊れ方が下から割れていることに注目しました。水平の揺れではなく、下から伝わった突き上げの波が原因の可能性があるとして、数値解析で壊れ方を再現しています。
一方、震災直後の分析は線路と直角方向の強い揺れを重く見ていました。土木学会の資料にも、地下トンネルの横断面の被害では縦揺れの影響は小さいとする研究がいくつかあると記されています。25年たっても見方が分かれるほど、地下の壊れ方は読み解くのが難しいのです。
震災後に地下の柱はどう変わった？
大開駅は鋼管入りの柱で復旧
大開駅は1995年8月、電車が止まらずに通り過ぎる「通過駅」として部分的に復旧しました。神戸の東西を結ぶ路線としての役目は、震災から約7か月でほぼ戻っています。
新しい中柱は、45cm角の角形鋼管で補強した鉄筋コンクリートの柱を3本つなげた形で造り直されました。復旧した柱が同じ規模の地震に耐えられるかは、実物を模した試験体に力をかける実験で確かめられています。
「割れる前に曲がる」柱へ補強
大開駅で起きたせん断破壊を防ぐ考え方は、その後の国の基準に組み込まれました。2013年の国土交通省令にもとづく指針は、開削トンネルやその中の駅について、せん断への安全度が曲げへの安全度より大きくなるよう補強すると定めています。
言いかえると、柱が壊れるとしても先に「曲がって粘る」側で壊れるようにする、という考え方です。曲がる壊れ方なら一気に崩れず、天井が落ちるまでの時間を稼げます。
※ 開削（かいさく）トンネルとは、地上から地面を掘り下げて箱形のトンネルを造り、上を土で埋め戻す方法で造ったトンネルのことです。大開駅もこの方法で造られました。
対象は首都直下・南海トラフの想定地域
この省令が補強を求めたのは、首都直下地震や南海トラフ地震で震度6強以上が想定される地域のうち、利用者の多い路線や駅です。1日の平均乗降客が1万人以上の駅などが当てはまり、2017年度末が目標とされました。
費用は国と地方がそれぞれ3分の1を補助する仕組みです。2016年度末の暫定値で、対象の駅の耐震化率は94%、高架橋などは97%に達していました。新幹線については、おおむね100%という数字です。
地下にも苦手な災害がある
液状化すると管やマンホールが浮く
地下水を多く含む砂の地盤は、強く揺すられると泥水のようになる「液状化」を起こします。周りが液体のようになると、中が空洞の管や箱は浮力で押し上げられてしまいます。
国土交通省の資料によると、東日本大震災では下水道のマンホールが地面から飛び出す「突出」が2,908基で確認されました。写真付きで紹介されているのは千葉県浦安市と宮城県栗原市の例です。地盤と一体で動くはずの地下構造物も、地盤そのものが崩れると強みを失います。
水が入ると逃げ場が少ない
地下の弱点は揺れだけではありません。大雨や津波で地上の水が流れ込むと、低い場所にある地下の駅や通路に水が集まります。出口が階段に限られるため、浸水が進むと地上へ逃げにくくなるのです。地下空間の防災は、地震への強さと水への備えを両方考える必要があります。出入口の段差や止水板は、そのための小さな工夫です。
壊れなくても停電で真っ暗になる
東日本大震災の直後、仙台市地下鉄では全線が停電し、駅の照明も非常灯を残して消えました。それでも乗客が揺れでパニックを起こすことはなく、駅員の誘導で全員が地上へ避難できたと報告されています。
仙台駅前の地下通路も構造の被害は小さかったものの、停電のため利用者を地上へ出して一時閉鎖しました。地下が頑丈でも、電気が止まれば明かりと換気が失われます。構造の強さと、使い続けられることは別の問題です。
地下鉄に乗っていて大きく揺れたら、トンネルそのものは地盤と一緒に動いていると思い出してよさそうです。大開駅の崩壊から学んだ補強が、その「強さ」を例外のない方向へ少しずつ近づけています。
参考
- 神戸大学附属図書館 震災文庫「神戸高速鉄道大開駅被害状況」「神戸高速鉄道・大開駅の被害とその要因分析」ほか
- 国土交通省「地下街等の被災状況等について」
- 国土交通省「鉄道施設総合安全対策事業（耐震補強）」
- 国土交通省「東日本大震災における下水道管路施設液状化対策工法の被害状況と今後の課題」
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