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山岳トンネル技術

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。

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

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

キーワード

発破掘削、ICT、削孔誘導システム、余掘低減
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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。

図版:システム構成

システム構成

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: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

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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。

図版:施工状況

施工状況

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。

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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

施工延長: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
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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。

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

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

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