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削孔誘導システム
「MOLEs」

実切羽面の削孔誘導を効率化する新削孔誘導システム

山岳トンネル工事においては、工期短縮と余掘り低減のため、火薬装填用の発破孔の削孔にあたり、計画通りの削孔位置、削孔角度、削孔深さとなるよう正確かつ迅速な削孔作業が求められます。従来この作業はオペレータの経験によるところが大きく、将来的には熟練作業員不足が懸念されています。

近年、ICTの発展に伴い開発されたガイダンスシステムやフルオート削孔が可能なコンピュータジャンボは、マシンそのものが高価等の理由で、広く普及するまでには至っていません。

そこで鹿島は、山岳トンネルの効率的かつ高速な施工を目的としたドリルジャンボの新しい削孔誘導システム「MOLEs(モールス)」を開発しました。

特許登録済

図版:ドリルジャンボに後付け設置されたMOLEs

ドリルジャンボに後付け設置されたMOLEs

キーワード
発破掘削、ICT、削孔誘導システム、余掘低減

削孔誘導システム「MOLEs」の概要

削孔誘導システム「MOLEs」は、光波測量によりドリルジャンボ自身の位置や姿勢を把握するターゲット()、切羽面の凹凸を把握する3Dスキャナ()、切羽面とブームの動きを捉える動画カメラ()、削孔誘導画面を表示するモニター()から構成されています。従来の削孔ガイダンスシステムで必要であった電気式のモーションセンサ類が一切不要のため、振動や粉じん、削孔水による故障も少なく、汎用のドリルジャンボへの後付け設置も容易です。

本システムでは、切羽面をスキャニングし、実切羽の凹凸面を座標として把握した上で、計画発破孔の位置と削孔角度を正確に算出し、モニターに誘導ガイダンスを表示する機能を付加しました。これにより、仮想切羽面での誘導で生じていた操作性の悪さや実切羽面とのズレはなくなり、正確かつ迅速な削孔作業が行えるようになりました。

図版:システム構成

システム構成

図版:誘導あり・なしによる発破進行長と余掘りの違い

誘導あり・なしによる発破進行長と余掘りの違い

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特長・メリットココがポイント

モニター上に3色の誘導表示

本システムは、3Dスキャナによって得られる実切羽面の凹凸座標から誘導ラインを計算し、リアルタイムにモニターに映し出します。モニターには誘導ラインと3色の誘導マーカーが表示されています。オペレータはその誘導ラインに自身の操作するブームの位置を合わせ、誘導マーカーの示す通りに削孔するだけで、所定の削孔位置・削孔角度、削孔長に削孔することができます。オペレータの技量に頼ることなく確実な削孔が容易に行えます。

図版:モニター上の画面表示

モニター上の画面表示

図版:誘導手順

誘導手順

安定した発破進行長の確保

本システムを導入後、導入前に比べて切羽左右の進行差が減少し、切羽面の凹凸も少なくなりました。また、1発破ごとの進行長も導入前と比較して約25%向上し、安定した発破進行長を確保することができました。また、このシステムを適用した岩手県の唐丹第3トンネル工事では月進270mの日本記録を達成しました。

図版:MOLEs適用前後の発破後切羽面凹凸状況

MOLEs適用前後の発破後切羽面凹凸状況

適用実績

図版:唐丹第3トンネル

国道45号 唐丹第3トンネル

場所:岩手県釜石市唐丹町

竣工年:2018年3月

発注者:国土交通省東北地方整備局

施工延長:トンネル延長L=3,023m 
内空断面積95m2

学会論文発表実績

  • 「差角誘導システムの適用による余堀りの低減効果の検証」,土木学会年次学術,2018年
  • 「汎用型ドリルジャンボに搭載する差角誘導システム(MOLEs)」,建設機械施工,2017年
  • 「発破掘削時の差角誘導システムの開発」,土木学会年次学術,2016年

ロックボルト工の完全機械化

モルタル注入作業、ロックボルト挿入作業を完全機械化

鹿島は、山岳トンネル工事におけるロックボルト工の穿孔からモルタル注入、ロックボルト挿入までの一連作業を完全機械化する「ロックボルト打設専用機」を、フランスの建機メーカー・ロボドリル社と共同で開発し、日下川新規放水路工事(高知県日高村)に適用しました。

本専用機により、作業員の肉体的負担の大きいロックボルト挿入作業が減り、切羽近傍での作業がゼロになります。また、ガイダンスシステムを搭載しているため、従来人力で行っていた座標測量が不要となり、人員の削減、測量時間の短縮につながります。安全性、生産性、品質の向上が期待できます。

特許出願中

図版:一連作業を完全に機械化したロックボルト打設専用機

一連作業を完全に機械化したロックボルト打設専用機

キーワード
ロックボルト、機械化、省人化、生産性向上

ロックボルト打設専用機の特徴と効果の実証

本専用機は、汎用のホイールローダをベースに、前方のロックボルト工打設専用機ブーム1本と、装薬作業などを行うバスケットを実装した作業用ブーム2本、後方に油圧パックを搭載し、さらに穿孔位置と打設角度を示す相対座標によるガイダンスシステムを装備しています。これにより、センターブーム1本で穿孔からモルタル注入、ロックボルト挿入までの一連の作業を完全に機械化します。その結果、苦渋作業であった高所でのロックボルトの装填作業が減り、切羽近傍での作業はゼロとなり作業員の安全が確保されます。また、ガイダンスシステムを用いることで、測量作業の人員減・時間短縮にもつながります。

日下川新規放水路工事に適用した結果、オペレータ1名によるロックボルト工の一連作業が可能であることを確認しました。また、ロックボルトを持ち上げ、孔に手で押し込む苦渋作業が無くなったことで作業環境が飛躍的に改善したとともに、ロックボルト1本当たりの打設効率が従来の1.3倍に向上しました。

図版:施工状況

施工状況

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特長・メリットココがポイント

センターブーム1本で一連作業を完結

ロックボルト工打設専用ブームには、穿孔用ガイドセル、モルタル注入用ガイドセル、ロックボルト挿入用ガイドセルを搭載し、それぞれのガイドセルが同心円上で動作します。

一度機械をセットすればブームを動かすことなく、穿孔からロックボルト挿入までの一連作業が可能で、ロックボルトホルダーは1回の補給で最大9本(ガイドセル:1本、チェンジャー:8本)搭載できます。

図版:ロックボルト工打設専用ブームの仕様

ロックボルト工打設専用ブームの仕様

相対座標によるガイダンスシステム

既に打設したロックボルト頭部の位置を、ロックボルト工打設専用ブームの穿孔用ガイドセルで3点ピックアップすることにより、次に打設するロックボルトの穿孔位置と打設角度を、キャビン内の画面でオペレータにガイダンスするシステムを開発し、装備しています。このため、専用機本体の絶対座標をトータルステーションなどの機器を用いて測量する作業がなくなり、キャビン内にいる1名のオペレータによるブーム操作のみで、相対的な穿孔位置と打設角度を短時間に確定することが可能となりました。

図版:ガイダンスシステムの構成

ガイダンスシステムの構成

適用実績

図版:平成29-31年度 日下川新規放水路工事

平成29-31年度 日下川新規放水路工事

場所:高知県高岡郡日高村

竣工年:2021年3月

発注者:国土交通省四国地方整備局

規模:トンネル延長L=2,850m 内空断面積55m2

4ブームフルオートコンピュータジャンボによる
施工の合理化

専任のオペレータ1名によるせん孔作業を実現

山岳トンネルの現場では発破孔のせん孔位置合わせが自動で行えるドリルジャンボが導入されてきています。しかし、これまでのコンピュータジャンボは作業員がキャビン内の小型画面を見ながらブームを誘導しなければならず、作業員の熟練度に依存するとともに、1ブームあたり1名の作業員が必要でした。

そこで鹿島は、日本初となる4ブームフルオートコンピュータジャンボ(アトラス社製XE4C)を、新区界トンネル(岩手県)の本坑掘削に適用しました。
同機が持つフルオートせん孔機能により、専任オペレータ1名によるせん孔作業を実現し、最新鋭ドリフタの機能向上により、せん孔時間が2分の1以下に低減、また、余掘りも40%低減できることを確認しました。

令和元年度日本建設機械施工大賞 大賞部門最優秀賞

図版:アトラス社製XE4C 4ブームフルオートコンピュータジャンボ

アトラス社製XE4C 4ブームフルオートコンピュータジャンボ

キーワード
急速施工、コンピュータジャンボ、フルオートせん孔
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4ブームフルオートコンピュータジャンボの概要

従来のコンピュータジャンボは、作業員がキャビン内の画面を見ながらブームをせん孔位置に誘導しなければなりませんでしたが、この4ブームフルオートジャンボのフルオートせん孔機能は、あらかじめ入力したせん孔位置に機械が自動で位置合わせを行うため、作業員の熟練度に頼らないせん孔作業を実現するとともに、4ブームを1名のオペレータで操作することが可能となっています。また、同機は、これまでのジャンボに比べ、ドリフタのせん孔性能が向上し、純せん孔速度が最大で2倍となっているほか、地山の硬軟に応じて自動的に最適な打撃力に調整されるため、せん孔中の孔閉塞が発生しません。

さらに、搭載されているせん孔データの自動収集機能により、切羽前方やトンネル周辺の地山評価が可能です。

図版:4ブームを1名の専任オペレータで操作が可能

4ブームを1名の専任オペレータで操作が可能

図版:4ブームフルオートコンピュータジャンボ

4ブームフルオートコンピュータジャンボ(動画:23秒/音あり)

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4ブームフルオートコンピュータジャンボ導入による効果

4つのブームを1名の専任オペレータで

従来は1ブームあたり1名の作業員が必要でしたが、フルオートジャンボは4つのブームを1名のオペレータで操作することができます。これまでは坑夫と呼ばれるトンネル作業員がせん孔時にはブーム操作を行っていましたが、専任のオペレータ1名が4つのブーム操作を行うため、他の作業員は次の作業の段取りなど、別な仕事を行うことができ、省力化と効率化が図れます。

せん孔に要する時間が従来の半分に

本機はこれまでのジャンボに比べ、ドリフタ(せん孔装置)の性能が向上し、純せん孔速度が最大で2倍となっていることと、せん孔位置への自動誘導機能により、位置合わせ時間が大幅に短縮できるため、せん孔時間が従来の半分以下になることを確認しました。

余掘りを40%低減

コンピュータの自動制御により、せん孔パターン通りの角度や長さで正確なせん孔を行うため、余堀りを40%低減できることを確認しました。

図版:従来機の場合(誘導機能なし)

従来機の場合(誘導機能なし)

図版:フルオートジャンボの場合

フルオートジャンボの場合

せん孔データの自動収集で地山を予測、
CIMにも活用

本機に搭載されているせん孔データの自動収集機能(Mesurements While Drilling:MWD)により、地山状況に応じてせん孔パターンを修正するとともに、切羽前方やトンネル周辺地山の予測評価が可能となることにより適切な支保パターンの選定が行えます。また、これらのデータを蓄積することにより、CIMの地質モデルへの反映ができます。

図版:せん孔速度より求めた切羽前方地山の硬軟度分布

せん孔速度より求めた切羽前方地山の硬軟度分布

適用実績

図版:宮古盛岡横断道路 新区界トンネル

宮古盛岡横断道路 新区界トンネル

場所:岩手県宮古市~盛岡市

竣工年:2019年8月

発注者:国土交通省東北地方整備局

規模:全体L=4,998m 内空断面積94.9m2 避難坑 L=5,045m 内空断面積 15.5m2

図版:国道45号 白井地区道路工事(白井トンネル)

国道45号 白井地区道路工事
(白井トンネル)

場所:岩手県閉伊郡普代村

竣工年:2019年3月

発注者:国土交通省東北地方整備局

規模:延長2,059m 内空断面積95m2

2ブームロックボルト自動施工機

穿孔からロックボルト挿入までをボタン1つで自動施工

鹿島は、古河ロックドリルと共同で、山岳トンネル工事におけるロックボルト工のうち、穿孔(せんこう)位置への誘導から穿孔、モルタル注入、ボルト挿入までの一連作業を自動化する「2ブームロックボルト自動施工機」を開発し、次世代の山岳トンネル自動化施工システム「A4CSEL for Tunnel」の実証実験を行っている神岡試験坑道(岐阜県飛騨市)に導入しました。

本機により、施工速度および精度を確保したうえで、作業員の苦渋作業の軽減と、安全性の飛躍的向上を実現しました。

特許出願中

図版:ロックボルト工の一連作業を自動化する「2ブームロックボルト自動施工機」

ロックボルト工の一連作業を自動化する「2ブームロックボルト自動施工機」

キーワード
ロックボルト、機械化、自動化、省人化、安全性向上

ロックボルト工の一連作業を自動化!!

本機は、古河ロックドリル社製の従来の2ブームロックボルト施工機に、センサやプログラム、インターフェース(情報や信号のやり取りによる制御)を追加して改良を行い、さらに「穿孔位置の自動位置合わせシステム」と「自動ロックボルト打設装置」を新規搭載したものです。これにより、これまで手動で切り替え操作を行っていた、①穿孔位置への誘導、②穿孔、③モルタル注入、④ボルト挿入までの一連作業をボタン1つで自動施工することができます。

図版:2ブームでロックボルトを自動で連続的に施工

2ブームでロックボルトを自動で連続的に施工

図版:自動化された一連作業をキャビン内から監視

自動化された一連作業をキャビン内から監視

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2ブームロックボルト自動施工機の概要

穿孔位置の自動位置合わせシステム

「穿孔位置の自動位置合わせシステム」では、あらかじめ登録した設計穿孔位置データと、トータルステーションで計測した本機位置データから、「自動ロックボルト打設装置」の穿孔位置への誘導および打設角度の設定を自動で行います。これにより、作業員による穿孔位置のスプレーマーキング作業、オペレータによるブーム操作といった従来の作業が不要となり、省力化、さらには施工精度の確保および安全性の向上を実現しました。

図版:穿孔位置まで誘導、打設角度設定を自動で実施

穿孔位置まで誘導、打設角度設定を自動で実施

図版:「穿孔位置の自動位置合わせシステム」の構成

「穿孔位置の自動位置合わせシステム」の構成

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自動ロックボルト打設装置

「自動ロックボルト打設装置」は、穿孔・モルタル注入・ボルト挿入の3つのセクションで構成されます。各セクションの切替は、回転動作のみで自動で行うことができます。本装置は左右のブームに装備され、3~6mのロックボルトに対応可能です。

❶穿孔セクション
コンピュータジャンボに搭載されている自動穿孔技術により、軟岩から硬岩までロックボルトの長さに合わせ安定した穿孔が可能です。

❷モルタル注入セクション
本機後方に配置したモルタル注入機と連動することで、左右同時にモルタルを自動注入できます。

❸ボルト挿入セクション
10本のロックボルトを装填できる「ロックボルトマガジン」を新規搭載しました。左右で最大20本のロックボルトを連続して自動挿入できます。

図版:自動ロックボルト打設装置の概要

自動ロックボルト打設装置の概要

図版:自動ロックボルト打設装置の仕組み

自動ロックボルト打設装置の仕組み

適用実績

図版:神岡試験坑道

神岡試験坑道

場所:岐阜県飛騨市

発注者:鹿島

規模:トンネル掘削321.3m 
掘削断面積 アプローチ部43.9m2 
自動化施工試験部73.5m2

AGF鋼管打設の完全機械化技術

ソケット型AGF鋼管を人手を介さずに打設するシステム
施工人員25%減と作業負荷軽減を実現

山岳トンネルでは、トンネル上部の安定性確保や地表面の沈下抑制を目的に、補助工法としてAGF工法を採用するケースが数多くあります。AGF工法とは一般的に、掘削作業に先行して、切羽上部の岩盤に約3mの鋼管(1本あたり約50kg)をドリルジャンボで打設しながら4本程度連結して挿入し、鋼管内に薬液を注入してトンネル上部の地山を補強します。従来のAGF工法は、ドリルジャンボの削岩機アーム(ガイドシェル)に2名の作業員が切羽手前の路盤上で鋼管を供給し、別の作業員2名が切羽上部において鋼管の連結作業を行います。いずれも手作業であり、作業員の負荷軽減が課題でした。そこで、鋼管の供給と連結作業を完全機械化できる2つの装置を開発しました。

特許出願中

図版:「新型楽ダナ」から鋼管をガイドシェルに移す様子

「新型楽ダナ」から鋼管をガイドシェルに移す様子

図版:「連結機構付きガイドシェル」による鋼管の打設状況

「連結機構付きガイドシェル」による鋼管の打設状況

キーワード
山岳トンネル、補助工法、AGF
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本システムの効果と従来工法との比較

本システムは①鋼管供給用の「新型楽ダナ」、②鋼管連結用の「連結機構付きガイドシェル」の2つの装置で構成されます。

これらを用いることにより、1シフトあたりの施工人員25%削減と、重量物運搬や狭所での連結作業の負荷軽減が可能になりました。

図版:鋼管供給作業の従来工法と新工法の比較

鋼管供給作業の従来工法と新工法の比較

図版:鋼管連結作業の従来工法と新工法の比較

鋼管連結作業の従来工法と新工法の比較

新型楽ダナ

「新型楽ダナ」は、専用のラックにセットされた鋼管を1本ずつガイドシェルに供給する装置です。鋼管の供給に必要な人員はオペレータ1名のみです。予め必要な鋼管を工場出荷時からラックにセットして搬入することで、以下のメリットがあります。

  • 材料搬入時間を短縮
  • 現場で作業員が重量物を持つ必要が無くなる

図版:新型楽ダナの概要図

新型楽ダナの概要図

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連結機構付きガイドシェル

「連結機構付きガイドシェル」は、鋼管の前後を把持し押し込む機構を追加することで、ソケット型の鋼管を機械で連結できるようにした装置です。

  • 作業員2名が人力で行っていた鋼管の連結作業が不要
  • 作業員の負荷が軽減され、安全性も向上

図版:連結機構付きガイドシェルの概要図

連結機構付きガイドシェルの概要図

図版:連結機構付きガイドシェルの概要図

ソケット型AGF鋼管

適用実績

図版:みなとみらい21線車両留置場

みなとみらい21線車両留置場

場所:神奈川県横浜市

発注者:横浜高速鉄道

規模:トンネル延長 横坑324.3m 
本坑複線区間98.7m 
本坑併設区間262.3m×2本のうち横坑坑口部DⅢ区間に試験適用(5シフト分)

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