統合穿孔支援システム「ドリルNAVI」の開発
宮原宏史1・若林宏彰2・中村聡磯3
1賛助会員

マック㈱（〒272-0832 千葉県市川市曽谷8-16-3）
E-mail:miyahara.h@mac-net.co.jp

2賛助会員㈱鴻池組 土木事業本部技術部（〒136-8880 東京都江東区南砂2-7-5）
E-mail: wakabayashi_ha@konoike.co.jp

3賛助会員㈱カヤクジャパン（〒100-0000 東京都墨田区横網1-6-1）
E-mail: satoki.nakamura@kayakujapan.co.jp

リニア中央新幹線の2027年開業に向け，2015年度より大規模な山岳トンネル案件が順次着工予定であり，17年間という工期から見て急速施工は重要な課題である．筆者らは発破工法の急速施工には①正確な穿孔誘導，②積極的な地質探査，③施工実績，探査データの次サイクルへの即時反映，が重要であると考え，正確な穿孔誘導機能を備え，毎サイクルの穿孔探査データ取得を可能としたうえ，施工，探査データの現場，施工会社，火薬メーカ等のネットワーク共有により次サイクルへの即時反映を可能とした「ドリルNAVI」を開発した．
その結果，適用事業所における導入効果として余掘りを約50%，サイクルタイムを約15%低減した．本稿は「ドリルNAVI」（以下本システム）の開発内容および適用結果について述べる．
Key Words : 急速施工，探査，削岩機，余掘り，サイクル

１．はじめにわが国の大動脈である東海道新幹線はすでに開業後50年が経過し，大規模な補修工事が避けられない状
況にある．また，大規模災害に対する抜本的な備えとして，東海道に代わるバイパスルートの必要性も論じられている．そのような背景から，超電導リニアによる中央新幹線の計画が発表され，2027年の開業に向け，2015年度より大規模な山岳トンネル案件が順次着工予定である．ルート上には最大土被り1000m超，数多くの断層帯が存在する長大トンネルが複数計画され，17年間という工期の制約から見ても急速施工は重要な課題であり，様々な地質状況に応じた各種技術開発が行われている．多数の工区に採用予定の発破工法において，正確な穿孔位置，さし角による高効率の発破（要素1），前方地山状況の積極的な把握（要素2）と次サイクル施工への反映（要素3）は急速施工を行う上で重要であり，既に穿孔に使用する削岩機に角度，位置，油圧等の各種センサーを取り付け，穿孔位置制御及び穿孔実績，穿孔時の岩盤破壊エネル
ギーの記録による前方探査を行う技術1)，2)が報告されている．
しかしそれら技術には，外周孔の誘導に限定されている1)ことに起因する，急速施工を目的とした長孔発破に重要な芯抜き部分の誘導の困難性（課題1），および前方探査データに穿孔位置，角度の記録が存在しないこと2)に起因する，前方探査データ絶対位置の不確実性（課題2）が存在した．また，穿孔および前方探査データは削岩機上の機器に記録され2)，メディアにコピーされたデータを事務所に持ち帰る必要があり，施工へのフィードバックに時間を要していた（課題3）．
筆者らは，芯抜き部分を含めた全断面の誘導を可能とする「ドリルNAVIGATION」（手段1），前方探査データにも絶対位置，角度を持たせたうえ，毎日の発破穿孔においても岩盤破壊エネルギーを記録し，切羽面全体の硬軟分布を詳細に把握する「ドリルEXPLORER」（手段2），トンネル内に独自ネットワークを構築し，削岩機，現場事務所，施工会社，削岩機メーカー，火薬メーカー，コンピュータメーカーがリアルタイムで施工情報を把握できる「ドリルNET」（手段3）を総称する「ドリルNAVI」を開発した．本稿はその内容および成果について述べる．

２．ドリルNAVI各要素技術の説明(1) ドリルNAVIGATION（手段1）
正確な穿孔位置，さし角による高効率の発破（要素1）のためには，各種センサ測定値を合成し，トンネル断面内での削孔位置とさし角に変換する必要がある．本システムでは図-1に示す3種の座標系と図-2に示す回転角方向を定義し，各測定値に基づく数値を合成，変換する手法を採用した．
a) 削岩機座標系ΣJ
削岩機内における系であり，削岩機本体上の原点OJより，基準方向を前方のX軸，平面状に直行するY軸，X,Yと直行するZ軸により設定する．
この系内における削岩機のブームの模式図を図-3に示す．回転部と伸縮部の要素をそれぞれθ，dとする，θ4:ガイドスと，回転部はθ1:ブームスイング（BS），θ2:ブームチルト（BT），θ3:ガイドチルト（GT）
イング（GS），θ5:ガイドロータリー（GR），θ6:ガイドダンプ（GD）の6箇所で，伸縮部はd1:ブームスラ
イド（BSL），d2:ガイドスライド（GSL），d3:フィード（FSL）の3箇所である ．なお，斜線部分は可動部を示す．よって削孔時のブームの持つ自由度は，6θ+3ｄと表すことができる．本システムではこれら可動部に，回転角を検出する回転角計（θ1，θ4，θ5，θ6），傾斜角を検出する傾斜計（θ2，θ3），シリンダ油量に応じてスライド量を検出するギアメータ（d1，d2，d3）を装備し（表-1），各部材の寸法からブーム全体をモデル化し，θ1軸からの相対ビット位置，さし角を算出する機構を採用している．また，過去の研究1)により，ブームの経年劣化による誤差を補正し正確な誘導を行うには，ガイドセルを直接自動追尾トー
タルステーションで測量し，その座標値をリアルタイムに算出値に反映することが有効であることが明らかにされている．そのためガイドセル後端には自動追尾測量用のプリズムがセットされている．
XZZ

Σ(絶対座標系)

0°

YO

Z 軸回り
X(路線接線方向)
Y 軸回り 0°ZX

ΣT(トンネル座標系)

0°

OJ
k1
k2

Y

X 軸回り
ΣJ(削岩機座標系)

k3

Y
OT

Z

Y

図-2 回転角の定義

図-1 Σ，ΣT，ΣJ の関係

ビット（算出位置）

d2:ガイドスライド

d3:フィード

d1:ブームスライド

自動追尾測量用プリズム
θ1:ブームスイング

さし角（算出角度）

θ6:ガイドダンプ

θ5:ガイドロータリーθ4:ガイドスイング

θ3:ガイドチルト

図-3 削岩機ブームの機構と検出要素

θ2:ブームチルトOθ1:θ1 原点

表-1 センサ一覧と主な仕様
位置名称

検出範囲

検出精度

備考

θ1

ブームスイング-45～45°

単独直線性±0.1％

軸回転式センサθ2

ブームチルト

-30～

60°

0.1°

傾斜角センサd1

ブームスライド

0～

1600㎜

0.5％

油量センサ

θ3

ガイドチルト

-60～

30°

0.1°

傾斜角センサθ4

ガイドスイング-45～45°

単独直線性±0.1％

軸回転式センサ

θ5

ガイドロータリー

0～

360°

0.1°

傾斜角センサθ6

ガイドダンプ

0～

90°

0.1°

非接触型回転センサ

d2

ガイドスライド

0～

1600㎜

0.5％

油量センサ

d3

フィード

0～

3340㎜

0.5％

油量センサ

また，削岩機車体後方には3箇所にプリズムが取り付けられており（図-1），その削岩機座標系ΣJ内におけるk1 ,k2 ,k3および，θ1回転中心をZ軸とするΣθ1の原点Oθ1の座標値を式(1)のように定数としてシステムに記憶させておく．

 xk1  k1 =  y k 1 z 
 k1 

 xk 2 
k2 =  yk 2 z 
 k2 

 xk 3 k3 =  yk 3 z 
 k3 

 xO θ 1 Oθ 1 =  y O θ 1 z  Oθ1 (1)

ΣJ 内における検出要素毎の各座標系は図-4 の関係となり，事前測量による部材長，オフセット長（微小r値は描画せず）を考慮した計算により，ビット算出位置 q とさし角 µ が算出される．

r

ΣJ ：削岩機座標系qµΣθ1：θ1:ブームスイング（BS）座標系
Σθ2：θ2:ブームチルト（BT）座標系

FSL

Σd3

Σd1：d1 :ブームスライド（BSL）座標系
Σθ3：θ3:ガイドチルト（GT）座標系
Σθ4：θ4:ガイドスイング（GS）座標系
Σθ5：θ5:ガイドロータリー（GR）座標系
Σθ6：θ6:ガイドダンプ（GD）座標系

Σd2GSLΣd2：d2 :ガイドスライド（GSL）座標系
GD

Σd3：d3 :フィード（FSL）座標系
GRGSk1

Σθ6

Σθ5

Σθ3
ΣJGT

k3k2

BSL

Σd1

Σθ4

センサ検出値
部材長（事前測量による定数）
部材オフセット長（事前測量による定数）BSBT
Σθ2:O θ1r

ビット算出位置 q とさし角 µΣθ1

図-4 ΣJ 内における検出要素(6θ+3ｄ)の関係

b) 絶対座標系Σ
工事の際の測量を行う座標系である．原点Oを各公共基準点に置き，南北をＸ軸，東西をＹ軸，鉛直方向をＺ軸として設定する．この系内では式(1)に示した削岩機後部プリズムの測量による削岩機方位角の算出およびガイドセル後部プリズムの測量が行われる．
削岩機を切羽にセットしたのち，式(2)に示す各プリズムの絶対座標系Σ内での座標値K1 ,K2 ,K3を後方のトータルステーションから測量する．

 X k1 
K 1 =  Yk1 Z 
 k1 

 X k2 

K 2 =  Yk 2 Z 
 k2 

 X k3 

K 3 =  Yk 3 Z  k3 (2)ここで ΣJ を Σ に移す変換を，3×3 行列 S と定めると，n=1→3 において式(3)を満たす S(a～i)を求めることにより ΣJ から Σ への変換を一義的に定めることができる．

 X kn  xkn   a  
 Ykn  = S  ykn  =  dZ    kn  zkn   gbehc  xkn  f  ykn  z i kn (3)また，ガイドセル後部のロッドの延長線上に設けたプリズムの測量もこの系で行われ，絶対座標系 Σ にr
おけるガイドセル方向 Μ およびビット先端座標 Q はそれぞれ式(4)，式(5)のように表せる．

rr
M = S ⋅µ(4)Q = S ⋅q(5)c) トンネル座標系ΣT
トンネル内の構造物の評価を行う座標系である．原点 OT を路線の基点に置き，トンネル進行方向をＸ軸，直交するＹ軸，鉛直方向をＺ軸として設定する．この系では，路線にカーブが存在しても，任意の切羽における路線の接線の方向をＸ軸方向と考える．
本システムでは目標孔尻に各孔が到達するまでのさし角を，均一な放射状に保つことを目的とし，ΣT上のYZ平面に，仮想切羽面と呼ぶ基準平面を設定し，削孔位置の基準を実切羽面とビットの接点ではなく，r
仮想切羽面とさし角方向 Μ Tの交点として管理する手法とした（図-5）．その際，実切羽面が仮想切羽面より凸な場合にはQ Tが計画掘削ラインよりも内側になり，アタリが発生する．そのため，実切羽において最も凸な地点に，仮想切羽面を設定した（図-6）．穿孔は実切羽面の凹凸に影響されること無く，目標切羽面で終了し，オートリターン機能が作動する．
オートリターン作動
余掘長

オートリターン作動

目標切羽面

削孔ライン
さし角

実切羽面
放射状X

計画掘削ライン

トンネル進行方向ビット先端Q
削孔位置

目標切羽

仮想切羽面

仮想切羽

rr

ビット先端 Q T (◆) ，削孔位置(●)と Μ T(実線)ビット先端 Q T (◆) ，削孔位置(●)と Μ T (実線)

実切羽面にマーキングした場合の計画掘削ラ

目標孔尻(▲)と Μ T (点線)r
目標孔尻(▲)と Μ T (点線)

図-5 削孔位置の概念図

r

図-6 仮想切羽概念図

縦断図

平面図実機

設計位置と比較

設計

計画角度と比較

図-7

図-8 ロックボルト誘導画面

穿孔誘導画面

オペレータは算出された座標値と設計値を比較しながら穿孔作業を行うことにより，高精度な施工が可能となった．搭載コンピュータには各種作業に応じた設計値と実機位置の比較画面，および拡大表示機能を備えている（図-7，図-8）(2) ドリルEXPLORER（手段2）トンネル工事においては，切羽前方の断層破砕帯や地下水脈など，工事の進捗に支障となる脆弱な地層の出現が避けられない．すでに穿孔に使用する削岩機に油量，油圧等のセンサを取り付け，穿孔エネルギーの記録による前方探査を行う技術2)が報告されているが，ドリフタが出力する打撃エネルギーとビットが岩盤を破壊するエネルギーとの間には，ビットと岩盤との接触面間および，ロッドの継ぎ目から発生する伝達ロスによる誤差が発生していた．本システムはさく岩機試験データを基にしたT：伝達効率（%）を式(6)のように定めることにより，ビット着岩面，ロッドにおけるエネルギー損失分を正確に反映したEd：穿孔エネルギー（J/cm3）を式(7)にて定めることができる．

T = Tb × Tr

(6)

Tb：ビット着岩面伝達効率（フィード圧力依存）（%）
Tr：ロッド伝達効率（ロッド及びスリーブ継ぎ数依存）（%）

Ed =Ep × Np × T
Vd × S(7)

Ep：打撃エネルギー（J）
Np：打撃数（bpm）
Vd：穿孔速度（cm/min）
S ：孔断面積（cm2）
そしてEd：穿孔エネルギーには(1)c)にて定義したトンネル座標系ΣTにおける座標値がすべて関連付けられており，切羽面全体，トンネル全体の硬軟分布を詳細に把握することが可能である．（図-9，図-10，図-11，図-12，図-13，図-14）

図-9 穿孔位置記録

図-10 穿孔位置別穿孔エネルギー

図-11 AGF 穿孔記録

図-12 ロックボルト穿孔記録

図-13 穿孔エネルギー連続図

図-14 穿孔エネルギー分布詳細図

(3) ドリルNET（手段3）ドリルNAVIGATION及びドリルEXPLORERを稼働中の現場からは図-15中，ア)～キ)のデータを得ることができる．これらデータを次サイクルの発破に反映させ，効率的な施工を行うことが急速施工のためには重要である．従来はデータをPCやメディアにコピーしたのち事務所に戻り，処理，閲覧，検討を行っていたが，施工データフィードバックの迅速性に問題があった．本システムにおいては，削岩機-現場詰所施工会社事務所-施工会社本社等-メーカー（削岩機，コンピュータ，火薬）間でデータ共有が可能なネットワーク（図-16）を構築した．前サイクルのデータは自動的にネットワーク上に保存されており，データを現場以外（本社，メーカー）でも共有し，岩質，余掘量等に応じた修正発破パターンを作成したのち，削岩機上のデータを遠隔で更新することも可能となった．

トンネル設計情報入力
メーカー(削岩機,火薬,コンピュータ)
基本発破パターン作成

1 回/週
共有

施工会社(本社,研究所等)
ｱ)前方探査(30m)
ｲ)切羽観察,ｳ)A 計測

1 回/日ｵ)薬量

施工会社現場事務所
1 回/1 切羽

修正発破パターン作成

修正発破パターン実績データ

削岩機姿勢計測,切羽設定ｶ)余掘ｴ)穿孔数,位置,エネルギーｳ)A計測ｵ),薬量ｱ)前方探査ｶ)余掘測定ｲ)切羽観察ｷ)ロック穿孔位置,エネルギー頻度?

図-15 作業及びデータ取得フロー

ｴ)穿孔数,位置,エネルギーｷ)ロック穿孔位置,エネルギー

図-16 ドリル NET 概要図

３．ドリルNAVI適用結果3)
本システムの効果を確認するため，実現場（表-2）においてシステム未使用時，使用時における余掘り量，サイクルタイムの比較を行った．データ取得区間中，鋼製支保工のないⅡN パターン（352m）における平均余掘り量は，未使用時：205mm，使用時：103mmとなり，約50%の低減効果を確認した（図-18）．
またサイクルタイム平均値は，未使用時：5.2h，使用時：4.4hとなり，約15%の低減効果を確認した（図-19）．ここで穿孔，装薬，発破時間のみを比較すると，未使用時：1.8h，使用時：1.4hと，約22%の低減となっており，穿孔時における穿孔パターンナビゲーションの効果が現れたものと考えられる．
また ，図-20に支保パターンと1切羽平均穿孔エネルギーの関係を示す．平均穿孔エネルギーは，ⅠN パ
ターンで100 未満～300J/cm3（平均159J/cm3），ⅡN パターンで100～400J/cm3（平均283J/cm3）の範囲に分布しており，地山性状を反映したデータが，特別な作業を行うことなく毎サイクルの穿孔により取得可能であった．
これらデータはドリルNET機能により，現場-本社-メーカー間で共有され，余掘り測定結果の発破パターンへの反映や，穿孔エネルギーと切羽観察結果との比較等，データの有効活用が可能であった．

表-2 適用工事概要
工事名称

九州新幹線(西九州)新長崎トンネル(東)発注者

鉄道建設・運輸施設整備支援機構

250

施工者

鴻池組・日本国土開発・西武建設・竹下

200

工事場所

長崎県長崎市現川町地内

工期

2013年3月～2018年2月

余掘り(mm)

建設共同企業体概要

延長3870m×断面積66.8m2

データ

57km850m～58km500m

取得区間（650m間）地質

変朽安山岩，角閃石安山岩，輝石安山岩，約 50%低減

150205100

103500未使用区間平均凝灰角礫岩
工法

NATM，発破掘削，内空断面積，補助ベ

図-18 本システム使用による余掘り低減効果

ンチ付き全断面工法
穿孔機械

使用区間平均ⅡN 支保工なし,１発破進行長1.5m

3ブーム2バスケットドリルジャンボ
170kg級

140

65.2h/サイクル

120

ロ ックボルト, 0.8 約 15%低減

4

ロ ックボルト, 0.7吹付け, 0.9吹付け, 0.8

3ずり出し,コソク
1.7

21ずり出し,コソク
1.5

1.8

穿孔,装薬,発破
1.40
未使用区間平均100

使用区間平均

ⅠN

ⅡN
75

80
60
40

約 22%低減
穿孔,装薬,発破104

4.4h/サイクル

施工延長(m)

サイクルタイム(h)

5126

2052

46423654

0100未満100～200 200～300 300～400

400以上

ⅡN 支保工なし,1発破進行長1.5m

平均穿孔エネルギー(J/cm3)

図-19 本システム使用によるサイクル低減効果

図-20 支保パターンと穿孔エネルギーの関係

４．まとめ
本稿において確認できた事項は以下の通りである．
(1) 削岩機のブームをモデル化し，正確な穿孔誘導機能を備え，毎サイクルの穿孔探査データ取得を可能としたうえ，施工，探査データの現場，施工会社，メーカー等のネット共有により次サイクルへの即時反映を可能とした「ドリルNAVI」を開発した．
(2) 導入効果として余掘りを約50%，サイクルタイムを約15%低減した．
近年，公共事業の一連の過程で，ICTツールと3次元データモデルの導入・活用により，建設事業全体の生産性向上を図ろうとする取り組み「CIM」が図られており，施工オペレータの経験と勘の伝承により行われてきた生産性の向上が，ICTツールの活用により大きく変わる過渡期にあると考える．山岳トンネル施工情報モデルに従来の探査，計測で得られなかった情報が反映できるよう，さらなる開発を進める所存である．
謝辞：本稿のデータ取得，装置製作に際し，共同開発者である古河ロックドリル株式会社の多大なる協力を得た．ここに記して深く感謝する．
参考文献
1）宮原宏史・坂口武・松生隆司・小笠原光雅・河野興・中川浩二：自動追尾トータルステーションの活用によるハイブリッド方式削孔誘導装置，土木学会論文集F，Vol65 No,1, pp. 32 -37, 2009.2.
2）山田浩幸・原田雅也・田中英男・三木秀二：トンネル地山評価システムを用いた補助工法選定に関する一考察，土木学会第16回トンネル工学研究発表会，2006.12
3）若林宏彰：全断面追尾式穿孔誘導ｼｽﾃﾑ「ﾄﾞﾘﾙNAVI」の開発－山岳トンネル工事における穿孔誘導技術及び地山診断技術－，平成27年度近畿地方整備局研究発表会，新技術・新工法部門，No,13，2015.6