機械概要・採用工事

2ノズル吹付け機は、コンクリートを吹付けるための2台のロボットとコンクリートポンプ、支保工を設置するためのエレクタ装置とマンケージ装置を装備しています。本機の使用によって、吹付け作業時間が従来に比べて約半分になるほか、吹付けと支保工設置作業に伴う機械の入れ替えが不要になるため、サイクルタイムの大幅な短縮が可能です。同機にはタイヤ式の他、より軟弱な地山に適した履帯式があり、多様なニーズに対応できます。また、クリアショットを使用した高速低粉じん吹付け工法にも適用可能です。2ノズル吹付け機は、これまでに国交省圏央道山口トンネル（千葉県）、愛知県岩古谷トンネル（愛知県）、三重県矢頭峠トンネル（三重県）、鉄道運輸機構長崎新幹線彼杵トンネル（長崎県）で既に使用されており、サイクルタイム短縮と、軟らかい地山の早期安定化に成果を上げています。

SENSとは

SENS とは、シールド工法の安定性と施工性、NATM の経済性を併せ持った工法です。密閉型のシールドマシンにより切羽の安定性を図りながら掘進を進め、並行してマシンのテール部で一次覆工となる場所打ちコンクリートを打設、一次支保材として地山を保持しながらトンネルを構築します。一次覆工の安定を計測により確認したのち、NATM と同様に、漏水処理工と二次覆工を施工してトンネルを完成させます。

シールド工法と比較して、セグメントが不要となるためコストを低減することができますが、場所打ちコンクリートにて一次覆工を行うため、高度な施工管理が要求されます。工期的にはNATMの倍以上のスピードで施工することができます。

コスト縮減

シールド工法と比較して、セグメントが不要となるためコストを縮減できます。また、NATMでは掘削面を安定させる補助工法が必要となるため、ほぼ同程度のコストとなります。

• シールド工法よりも安価
• NATMと同程度で工期短縮が可能

システム概要・採用工事

山岳トンネルにおける連続ベルトコンベヤによるずり運搬では、とりわけ地山が硬い場合に、クラッシャの破砕能力が低下して、ずり出しサイクルに影響を与えることが課題となっていました。また、明り工事で多く使用されている大型のクラッシャは、エンジン駆動であるためトンネル内での使用が困難でした。鹿島は、明り工事で多く使用され、硬岩の破砕に定評のあるヨーロッパ製のクラッシャをトンネル仕様として開発し、大容量の連続ベルトコンベヤシステムに適用しました。本システムは、国交省堅苔沢トンネル（山形県）、北海道開発局音威子府トンネル（北海道）、NEXCO中日本新東名徳定トンネル（愛知県）等で使用され、成果を上げています。

挿角照射システムの概要

挿角照射システムは、鹿島とソーキが共同開発した技術です。システムを利用した挿角制御の手順は以下のとおりです。

①切羽後方に設置したトータルステーションにより切羽面のせん孔位置にスプレーマーキングします。
②ドリルジャンボのビットをマーキング位置にセットします。
③各孔毎に、ガイドセルの後端に備えたターゲット版に向けて削孔角度が正しくなる位置にレーザー照射します。
④ガイドセル後端の位置をセットして削孔を行います。
外周孔（払い孔）に対して上記手順を繰り返して行います。

以上により、外周孔（払い孔）の削孔精度が向上し、余掘りを抑えた長孔発破が実現します。

周辺地山の緩みを最小化

• 長孔発破施工時には挿角照射システムと同時に、外周孔（払い孔）ではスムースブラスティングを採用しました。その結果、通常の1発破掘進長2mの箇所と比べて6mの長孔発破の箇所では、周辺地山の緩みを同程度に抑えることができました。

システム概要・採用工事

一般に補助工法としてドリルジャンボを用いて削孔し鋼管を挿入する場合、鋼管（外側の管）とインナー管（内側の管）の二重管で削孔します。その際、先端の掘削用の刃に土が詰まるのを防止すると同時に、掘削時に発生する土を排出するため、大量の削孔水（毎分約70リットル）を使います。これに対して、本システムでは削孔水の代わりに圧縮空気を使用します。インナー管には圧縮空気を送り込むための装置（スイベル）を装着して、先端部分に送った圧縮空気を逆噴射させ鋼管とインナー管の間を逆流させて排出する仕組みを開発し、逆噴射による強い吸引力により土を吸込み排出するシステムとなっています。このため、設計通りの孔を構築できるので、地山のゆるみ防止や切羽安定、地表面沈下防止が確実に行えます。なお、本システムは、鉄道運輸機構九州新幹線新田原坂トンネル（熊本県）に採用されました。

開発工法の概要

切羽補強工に使用する補強材は、地山の挙動に伴って発生する解放応力にバランスよく抵抗することが必要で、地山と定着材との付着耐力と、定着材と鋼管との付着耐力、および鋼管の継ぎ手部の引張り耐力のバランスが重要な要素となります。

本工法は、従来の鋼管切羽補強工の弱点とされてきた鋼管と定着材間の付着耐力の問題を、ボルトの表面形状を縞鋼板とすることにより解決しました。また、継手部の引張り耐力も、接続部の加工を工夫することにより、従来の補強鋼管（5.2mm）に比べて薄肉（4.5mm）であるにも関わらず、引張剛性は高くなっているのが特徴であり、軽量となったため施工性・経済性の向上にも寄与できる材料です。さらに、鋼管にはスリットを設けてあるため、鋼管切羽補強工法の利点である鋼管と定着材の分別回収を従来よりも容易に行える工法です。

近年の山岳トンネル工事は、市街地や民家に近接するものが増えています。掘削に伴って発生する周辺環境への振動や騒音等を軽減する観点から、特に坑口部や市街地通過部においては、振動や騒音を抑えた「周辺環境に優しい発破」が求められています。

そこで鹿島は、Orica社製の秒時現場設定型高精度電子雷管「eDev^®Ⅱ」を住宅地に近接するトンネル現場での発破作業に適用し、様々なデータを蓄積しながら、高度な制御発破方法を確立しました。

特許登録済
NETIS　KT-140090-A

※「eDev」はOrica Explosives Technology Pty Ltdの登録商標です。

「eDevⅡ」を用いた高精度な制御発破の概要

発破による振動・騒音を低減するためには、装薬孔数を増やし1孔あたりの火薬量を少なくする制御発破が効果的です。ただしその効果を上げるためには、発破の振動・騒音波形が重なり合うことなく確実に分離されることが求められます。また、発破振動や騒音の体感的な不快感を低減させるためには、起爆秒時間隔をできるだけ短く設定し、発破の継続時間を短くすることが有効です。しかし、従来のトンネル発破用電子雷管は、標準的な秒時間隔が30ms（30ミリ秒：1000分の30秒）に固定されており、発破孔全孔を分割して爆破させると、トータルの発破継続時間が長くなります。また、発破を分割できる数（段数）にも制限があり、一段あたりの火薬量が多くなるなど、課題がありました。

「eDevⅡ」は、秒時精度（設定秒時±0.01％）が高く、また、秒時間隔を現場で1ms（1ミリ秒：1000分の1秒）単位に設定できるという特長を有しており、鹿島ではその優位性に着目、住宅地に近接するトンネル現場の制御発破に本格的に適用しました。

特長・メリットココがポイント

起爆秒時間隔を現場で1ms単位に設定

eDevⅡは、起爆秒時間隔を1ms（1ミリ秒：1000分の1秒）単位で設定でき、かつ、現場にて任意に設定できます。

一連の発破試験を通じて振動値や周辺特性などのデータを蓄積した結果、先行起爆孔と後続起爆孔の振動波形が重なり合うことによる振動の増幅を回避しつつ、それぞれの起爆秒時間隔を可能な限り小さくすることで発破継続時間を短縮し、振動値と振動体感をともに抑える発破方法を確立しました。

トンネル掘削の代表的な工法である、高速掘進が特長の「TBM」と、地質が複雑な地山に柔軟に対応できる「NATM」のそれぞれの優れた機能を兼ね備えた、“NATBM（ナトビーエム）掘削機”（特許出願中）をコマツと共同で開発しました。

硬質な地山で高速掘削が可能なTBMは、これまで、日本国内では地質が複雑で不良地山が介在するため、補助工法の施工により掘削を停止することが多く、TBMの高速掘削のメリットを十分に活かすことができませんでした。一方NATMは、TBMに比べて掘削速度は劣りますが、トンネル切羽を直接目視で確認しながら、地山の性状に合せて支保パターン（鋼製支保工・吹付けコンクリート・ロックボルト）を選定することで、不良地山に対し柔軟に対応できる工法です。

そこで鹿島はコマツと共同で、「高速掘進可能なTBMの機能」と「不良地山にも柔軟に対応できるNATMの機能」を併せ持つ新たな掘削機の開発を行い、さらなる施工の合理化を可能にしました。

2023年度エンジニアリング功労者賞
特許登録済及び特許出願中

世界初のハイブリッド型TBMで不良地山を突破！

NATBM掘削機は、硬質な地山を掘削する際にTBMモードで高速掘進を行い、不良地山に遭遇した場合はNATMモードに切り替え、掘削を行います。カッタヘッドを開口して内部に装備したバケット式掘削機を前面に出して地山を掘削したあと、支保工を構築しながら安定的に掘進できるこれまでにない掘削機です。これにより、掘削直後、地山が緩む前に支保工で地山を抑えることができるため、脆弱な不良地山で発生する地山崩落や押出しで掘削機が停止するのを回避でき、工期やコストの縮減が期待できます。

最適発破設計の現場運用フロー