平成２６年度

建設施工と建設機械シンポジウム
論文集・梗概集

平成 26 年 11 月 26 日～11 月 27 日
東 京 ・機 械 振 興 会 館

一般社団法人日本建設機械施工協会ᖹᡂ㸰㸴ᖺᗘ
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Ⅱ－２

研究開発助成成果報告

１．掘削バケット前方埋設物の地中レーダ監視システムの開発
群馬大学大学院

・・・・・・
教授

２．超広帯域通信ＩＣタグと 3 次元モデルを用いた建設施工管理システム
大阪大学大学院
３．無人化施工の効率・安全を高める映像注目支援に関する調査研究
早稲田大学創造理工学部

教授

２２１

亀崎允啓
・・・・・・

教授

１９８

矢吹信喜
・・・・・・

４．動電式加振器のコンクリート構造物地震時損傷評価への応用
東北大学大学院

三輪空司
・・・・・・

教授

１８９

２２３

鈴木基行
内藤英樹

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１．放射線環境下における建設機械の自動運転システム
鹿島建設(株)

１. はじめに
東京電力福島第一原子力発電所の原子炉建屋解体・がれき撤去工事で発生する高線量がれきの構内保管施設への搬送作業は，これまで遠隔操作型
や放射線遮蔽型の建設機械を導入することで，搬送作業時の被ばく線量低減が行われてきた。しかし，現地での作業環境は依然厳しく，より一層の被ばく低減と作業効率の向上，遠隔操縦等で問題となるオペレータの誤操作を無くすための改善は常に追い求めて行かなければならない課題であった。これに対し搬送作業に用いられるクローラダ
ンプおよびフォークリフトの走行機能を自動化す
る検討を進めた結果，最新の計測技術，制御技術を適用して，障害物や経路を自律的に認識，判断しながら既設走路上を自動で走行するシステムを開発し，実作業に適用するに至った 1)。

○ 三浦 悟黒沼 出
浜本 研一

るため，クローラダンプに近づいて操作しなければならない状況も生じていた。そこで，被ばく線量低減のために一定以上の距離を保つとともに，作業効率の向上，オペレータによる誤操作防止を目的に，自律走行システムの開発を行った。
クローラダンプ＠屋外（約 1km）

原子炉建屋

積 込

走 行
積替え

フォークリフト＠構内保管施設（地下走路）（往復最長 800m）
走 行
荷下ろし

２．搬送作業について
図-1 搬送システムの概要
高線量がれきの構内保管施設への搬送作業は，建屋解体場所で高線量がれきを鋼製コンテナに積
クローラダンプ
込み，構内保管施設まで運び，保管施設のコンテ
ナ貯蔵場所に荷下ろしを行う（図-1）。この搬送作
先導車
業は，2 種類の建設機械を用いて行われており，そのうちの各機械の走行を対象に自動化を検討した。
a.クローラダンプ
図-2 従来のクローラダンプによる搬送作業
原子炉建屋から構内保管施設まで鋼製コンテナを
3.2 システム概要
屋外搬送する（図-1 上側，走行距離は約 1km）。
図-3 に自律走行に必要な各種センサ，制御機器，
b.フォークリフト
及び通信機器を設置したクローラダンプの外観を構内保管施設の外で鋼製コンテナを受け取り，施記す。主な機器の種類と用途は以下の通りである。
設内地下に格納する（図-1 下側，走行距離約 800m)
・センサ機器－ RTK-GPS：機体位置計測
３．クローラダンプ自律走行システム－ GPS 方位計：機体方位計測
3.1 導入目的－ ジャイロ・加速度センサ：機体位置と機体姿勢
従来の屋外搬送は，図-2 の配置で，オペレータ
計測の補間
が先導車の後部に遠隔操作型クローラダンプ（車－ レーザスキャナ（2 箇所）：前方、側部の障害物
両重量 16.4ｔ，最大積載荷重 11t，車両全長 6.0m，検知，安全監視車両全幅 3.5m）と対面するように後ろ向きに搭乗－ 車載カメラ（5 箇所）：周囲状況・安全確認
し，遠隔操作によって運転していた。作業中の被・制御機器：自律走行制御用コンピュータ
ばく線量を抑えるために， クローラダンプからで・通信機器：RTK-GPS 補正データ通信用無線，セ
きるだけ離れた位置から操作してするのだが，狭ンサ・システムのモニタ用無線 LAN
隘な場所では機体の周囲状況などを目視で確認す

- 1 -

車載
カメラ

無線 LANアンテナ

GPS アンテナ
GPS 方位計
無線 LAN
アンテナ

制御ＰＣ（キャビン内）
車載カメラ

レーザスキャナ

図-3

クローラダンプ外観
車載カメラ映像

走行状況
モニタリングＰＣ

方位，障害物検出状況，及び車載カメラの映像は，無線 LAN を通じてリアルタイムに先導車に送信され，モニタや PC 画面上へ表示される（図-4,5）。
自律走行中は計測データや映像を監視するだけとなりオペレータが機体に接近する必要はなくなる。
3.3 走行制御方法
クローラダンプが目標経路に追従して走行するための制御方法について図-6 を用いて説明する。
予め現地測量により目標経路を設定する（目標経路の折れ点部を中継点，最終端を最終目標点と呼ぶ）。また，機体位置と目標経路からの離隔（追従誤差と呼ぶ）に対し，走路の状況・幅に応じた各区間の管理幅及び限界幅を設定する。事前準備をした後，次の制御ステップで走行制御を行う。
Step 1）目標経路上に設定したクローラダンプの前
方直近にある中継点を目標点として設定する
Step 2）目標点の方向に機体の向きを合わせる
Step 3）直進走行する。走行中に，
Case1:追従誤差が管理幅に達した⇒Step 2 へ
Case2:追従誤差が管理幅を超えた or 障害物を検知，接触可能性あり⇒非常停止し，カメラ等で確認⇒遠隔操作に切替えて運転する
Case3:中継点に到達した⇒次の中継点を目標点に設定し，Step 2 へ
Case4:最終目標点に到達した⇒停止

車載カメラ切替装置

図-4

監視・指示システム（先導車内）

図-6

走行制御のイメージ

3.4 導入効果
自律走行中は，オペレータは計測データモニ
図-5 自動運転状況のモニタ画面
タ・車載カメラ監視により，クローラダンプの走
なお，RTK-GPS 並びに GPS 方位計を用いている 行状況を直接目視で確認することが不要となり，ため，機体の絶対位置，絶対方位の計測頻度は 従来は 30m 弱だった離隔距離を 100m 程度まで離10Hz であった．本システムでは，自律走行時の安 すことができ，オペレータの被ばく線量を大幅に全性・安定性を確保するため，これらのデータを 低減させることができた。さらに誤操作の恐れもジャイロ・加速度センサによって補間し，高速 なく，運転熟練度の違いによる作業時間のバラツ(100Hz)で出力できるように改良して用いている。 キを抑制することが可能となった。
クローラダンプは先導車のオペレータからの指示により，後述する走行制御ステップに従って自 ４．フォークリフト自律走行システム
律走行を開始する。目標経路に対する機体の位置， 4.1 導入目的

- 2 -

高線量がれきが搭載された鋼製コンテナを構内保管施設に搬送，定置する作業には，遠隔操作型
フォークリフト（図-7：車両重量 16.4t，定格荷重8.5t，車両全長 6.3m，車両全幅 2.4m，最少旋回半
径 4.1m）が採用されたが，狭い屋内通路での搬送作業のため，オペレータの誤操作及び作業効率の低さが懸念されていた。 そこで安全性を確保しつ
つ，搬送作業の目標サイクルタイムを確保する対策として，自律走行システムを開発した。

図-8

遠隔オペレータ室

図-7 フォークリフト全景

4.2 システムの特徴
本システムの特徴として，GPS が使えない屋内
での車体位置計測にレーザスキャナによる自己位
置認識技術を採用したことがある。製造工場等で実績のある電磁誘導方式では走行路に誘導線を埋設する工事が必要であり，走行ルートにも制限があるため，本件への適用は困難であった。そこで，事前工事が不要かつ走行路の変更に伴う構造物や機械等への工事・改造が不要であるレーザスキャ
ナによる位置・姿勢角計測方法を開発し適用した。
4.3 システム概要
クローラダンプで運んだ鋼製コンテナをフォー
クリフトに積替え，構内保管施設内に定置する作業の内，コンテナの積替え・定置はオペレータが遠隔操作で行い，それ以外の斜路の上り下り，直線・切返し部の走行を自動化した。なお，保管施設の走路は，壁面設備を考慮するとフォークリフ
ト車両幅に対し左右約 1.0m の余裕幅であった。
保管施設には有線及び無線による LAN を構築
し，運転操作は施設から約 500m 離れた建物内の遠隔オペレータ室から行うことができる（図-8）。遠隔操作システムと自律走行システムの構成を図-9に示す。図-9 の左側に遠隔オペレータ室内に設置している機器の機能を，図-9 の右側にフォークリ
フトの車体キャビン内に設置している機器の機能を示している。それぞれの機器は LAN を通じて通信している。また図-9 の下側を破線で囲んだ部分が遠隔操作システムであり，図-9 の上側が開発し

図-9

遠隔操作・自律走行システムの構成

た自律走行システムである。
4.4 レーザスキャナによる位置・姿勢角計測方法
レーザスキャナには SICK 社製 LMS111 を採用した。本センサは 270 度（正面より左右 135 度）の範囲を 0.5 度毎に 25Hz のサンプリング周期で計測することができる（図-10）。
本システムでは，パーティクル・フィルタを用いてフォークリフトの施設内での相対位置や姿勢角を推定している 2)。まず，フォークリフトのス
テアリング角度及び速度データを基に車両の確率的な運動モデルを用いて各パーティクルの推定位
置・姿勢角及びその推定確率を求める。得られた推定位置・姿勢角に対し，レーザスキャナ計測データ（図-11 左）を施設内の壁に反射して得られたものと考え，CAD 図面などの事前に得られた構造
物形状から作成した 2 次元地図データとの照合確率を求める。位置・姿勢角の推定確率とレーザス
キャナ計測データの照合確率から各パーティクルの適合確率を求め，フォークリフトの施設内での相対位置・姿勢角を全パーティクルの期待値として推定している（図-11 右）。
相対位置・姿勢角を推定するサイクルタイムは0.05 秒以内であり，フォークリフトの動特性に対して，十分リアルタイムな推定をすることができ- 3 -令値は，フォークリフトの相対位置・姿勢角を計測後，予め定めた目標ラインからの誤差変位および誤差方向を求め，フォークリフトが追従するよ
うに PI 制御を用いて計算している（図-13）。走行
速度はスロープ部上り・下り，直線部及び切返し部のそれぞれに対して速度指令値を設定し，指令値を切換えて制御している（作業サイクルタイム
等から平均走行速度は約 2km/h である）。
図-10

レーザスキャナ諸元と計測イメージ

図-11

相対位置・姿勢角の推定
図-13走行制御概要4.6 導入効果
高線量がれきを抱えた状態での狭隘部の走行，方向変換を遠隔操縦で行うことは，オペレータにとって緊張感を維持させなければならない過酷な作業であったが，それを自動化したことで，クローラダンプ自律走行システムと同様に，本システム
導入の結果，オペレータの熟練度に関係なく一定時間で搬送作業工程を完了できるようになったと
ともに，コンテナの積替え・定置に専念することが出来るようになり，負担低減が図れた。
図-12

施設内走路内の CG 画面る。本システムではレーザスキャナを機体の前後左右の 4 か所に配置し，位置・姿勢角計測及び障害物の検知を行っている。
図-12 は施設内通路を走行している機体を，レー
ザスキャナデータから推定した位置・姿勢角計測
結果を基に描いた CG 画面を示す。灰色の濃淡は施設の床と壁を表し，青色領域はレーザスキャナの計測範囲で，緑線は計測された形状である。事前に施設の床と壁を地図化して与え，パーティク
ル・フィルタで得られた位置・姿勢角を基に機体とレーザスキャナ計測データを描いているが，レーザスキャナ計測データと施設内の壁の位置が一致しており，相対位置・姿勢角を正しく推定していることが分かる。
4.5 走行制御方法
制御サイクルタイムは，位置・姿勢角計測のサ
イクルタイムから約 0.05 秒である。ハンドル角指

５．おわりに
本報告では，東電福島での高線量がれき搬送シ
ステムにおいて開発したクローラダンプ自律走行システムとフォークリフト自律走行システムの目
的，構成機器及び導入した自律走行機能について概説した。本開発システムは，被ばく線量低減だ
けでなく，緊迫した状況下での遠隔操作におけるオペレータの心理的疲労を軽減し，誤操作を無くし安全性を高めることを目指して導入した。本システム適用の効果については現在搬送作業を進める中で確認していく予定である。
参考文献[1] 三浦悟，日比康生：放射線環境下における搬送作業の自動化，土木施工，Vol. 54, No.1, pp.52 – 55, 2013[2] S. Thompson et.al: Constrained 6DOF Localization forAutonomous Navigation of a Golf Cart, ロボティクス・メ
カトロニクス講演会2013講演論文集, pp.1A2 - I03 (1)－(4), 茨城県つくば市, May, 2013

- 4 -

２．無人化施工における俯瞰映像システムの開発
株式会社フジタ

１．はじめに2011 年の東日本大震災をはじめとし，わが国では土砂災害や火山噴火などの自然災害が多数発生している。自然災害への迅速な対応は重要な事柄であるが，その一方で災害区域での有人作業には二次災害の危険性が指摘されている。この観点か
ら，現在ではオペレータが遠隔地から建設機械を操作する無人化施工の技術導入が盛んに進められている。
しかし，無人化施工は遠隔操作での作業となるため，有人作業と比べて作業効率が低くなる問題がある。その要因として視覚の問題が 29％と最も高く，その中でもカメラ位置の問題が 44％であり最も高いとされている 1)。よって，無人化施工での作業効率を高めるためには視覚の問題解決が極めて重要である。
現在の無人化施工は，安全な区域にある遠隔操作室から危険区域にある建設機械を搭載カメラと移動カメラ車や固定カメラの映像を見ながら遠隔操作している。
本論文ではこの移動カメラ車や固定カメラの映像の代わりに魚眼レンズカメラによる俯瞰映像を利用した新たな試みを提案し，俯瞰映像の特性評
価を報告するものである。なお魚眼レンズカメラを用いた俯瞰映像提示システムは，東京大学大学
院工学系研究科精密工学専攻の淺間研究室で研究開発しているもので，建設機械への搭載実験を当社と共同研究している。

○野末
三村
小幡

晃
洋一
克実

２．魚眼レンズカメラによる俯瞰映像
2.1 開発の目的
従来の遠隔操作のための映像提供は車載カメラ
１～2 台と外部環境としての固定カメラ 2～3 台，
移動カメラ 2 台の組み合わせが主流である。本格的な復旧工事であれば工期も予算も豊富で良いが緊急対応工事には適さない。そこで外部環境用映像の代替手段として最近自動車の駐車誘導ツールとして開発されたアラウンドビューモニターの原理を利用して，建設機械に簡易に取り付けが可能な俯瞰映像提示システムを開発した。
2.2 魚眼レンズカメラによる俯瞰映像の概要
固定カメラや移動カメラの代わりに建設機械の前後左右 4 方向に取り付けた魚眼レンズカメラの映像を合成し，擬似的に建設機械を上から眺めた映像を生成し遠隔操作者に提示する。また搭載カメラの映像も正面に取り付けた魚眼レンズカメラの映像から正射影に投影した映像を作成して提示する。
さらに通常搭載カメラが 2 台ある場合は，掘削箇所とブーム全景の映像と足元やバケットのズー
ム映像の組み合わせとなる。これを魚眼レンズカ
メラ 1 台の映像でカメラの画角や方向を画像処理により自由に変更することが出来る。当然，カメラを切り替えることも不要で同時に複数の映像を表示することが可能である。
図-1 に俯瞰映像提示システムのイメージを示す。

図—1 俯瞰システムの概念- 5 -図-2 に魚眼レンズカメラのオリジナル画像と合成後の俯瞰画像を示す。

建機の前後左右に取り付けた後の方向調整が合成
精度に関わる重要な作業である。図-4 に魚眼レン
ズカメラの取り付け，図-5 に方向調整用画面と調整作業状況を示す。

図-4

魚眼レンズカメラの取付け

図-2 魚眼レンズカメラ俯瞰映像

2.3 俯瞰映像の生成フロー
俯瞰映像生成のフローを図-3 に示す。

図-5

方向調整用画面と調整作業

実験当初はキャリブレーション作業のために地面に格子枠線を引いていたが作業時間も多大で実
験の度に線を引きなおす手間が課題であった。
（図-6 参照）現在は，図-7 のようにパターン標識板を作成し，ある条件下の元で任意の場所に置く方法に改良した。

図-3 俯瞰映像生成フロー
今回採用している魚眼レンズの仕様を表-1 に示す。
表-1

インターフェース USB1.1
画像圧縮方式 JPEG
640×480解像度
1536×1536
焦点距離10mm～∞

魚眼レンズカメラの仕様

映像素子
CMOSセンサー
画素数
170万画素最大フレームレー最大15fps
視野角
180°
動作環境
温度0℃～40℃,湿度20％～80％

キャリブレーション作業は魚眼レンズカメラを

- 6 -

図-6

キャリブレーション用格子枠線

図-7 に各方向のキャリブレーション用画像を示 する。
している。建機の四隅に正方形のパターン標識板 2.4.1 基礎実験での特性調査
以下の 5 つの懸念事項に関して調査実験を行っを置き，図-5 の方向調整用モニターで 2 枚ずつ標識板が写るように位置を調整してから撮影する。 た。図-9 に実験状況を示す。
① 地盤の傾斜に対する認識
撮影した各画像を図-3 のフローに従いキャリブレ② 地盤の段差に対する認識ーションを行う。レンズの歪み補正後にホモグラ③ 車体の傾きに対する認識
フィ行列による射影変換を行い 4 画像に統合する。
④ 車体の振動に対する認識
これら各変換式のパラメータを建機の PC に投入す
⑤ 遠隔操作が可能な表示遅延量かることで，リアルタイムに俯瞰画像が生成されモ調査実験の結果，以下のことが判明した。
ニタに表示される。
①車体から遠いほど高さが誇張されるが傾斜していることは認識できる。
②地面から 80cm の高さの場合，約長さ 2 倍，面積4 倍に誇張されることが判明した（図-10 の左図参照）。これは遠近感としては過大表示になる傾向である。
③認識は可能である。
④認識は十分可能である。
⑤1,100ms の遅れがある。ビデオコンバータと無線
LAN の遅れが 350ms として俯瞰映像生成処理遅延は 750ms と推定される。文献 4)によると映像伝送の遅れは 1.5 秒が限界とされていることから 1.1 秒は評価できる値である。
なお，評価方法は①から④については各条件のもと俯瞰映像の画面を録画し，それを再生して定性的に評価した。⑤表示遅れの測定方法は文献 2)と同じ測定方法で測定した。PC-T の画面に時間と
図-7 キャリブレーション用画像
フレーム番号を表示させて，魚眼レンズカメラで撮影したビデオ信号を俯瞰画像生成サーバ PC に
掘削作業用に追加した前方の魚眼レンズカメラ 取り込み，生成した俯瞰映像をクライアント PC に
画像を正射影変換した画像と完成した俯瞰画像を 伝送する。クライアント PC が俯瞰映像を表示して図-8 に示す。なお俯瞰画像生成の詳細は文献 3)に いる画面と PC-T の画面が両方映るようにビデオ
カメラで撮影し録画する。録画した映像を 1 コマ
記載されている。
ずつ再生してフレーム番号の差を記録することで測定した。PC-T の表示間隔が 60Hz とビデオ録画
を 60fps に合わせれば 1 コマ 16.7ms の分解能で計ることができる。（図-11，12 参照）

図-8

掘削用前方画像と完成後の俯瞰画像①

2.4 俯瞰映像の特性調査
俯瞰映像を用いた油圧ショベルの遠隔操作の評
価実験は，工場敷地内において基礎実験（2013 年
5 月）と造成現場において障害物走行・掘削作業実
証実験（2013 年 11 月）をおこなっている。これら
は文献 3)で詳細に報告されているので，ここでは当初から懸念事項であった項目の調査結果を報告

- 7 -

②

③
図-9

俯瞰映像の特性調査実験

④

図-10

俯瞰映像の段差認識

2.4.2 走行・掘削実験での特性調査
走行・掘削実験においても懸念事項の調査実験を行った。基礎実験から 6 ヵ月経過しているため
ソフトの改良とビデオコンバータの開発により良い結果が得られた。改良点は，俯瞰映像生成と映像の圧縮・伸張処理の処理速度向上である。
①～④に関しては俯瞰映像の採用する範囲を約2 倍に拡大したため高低差の誇張が緩和された。これにより視野が拡張されリスクの認識が速まり安
全性も向上した。（図-10 の右図参照）
また，俯瞰画像の表示遅延は 700ms 程度となり
400ms の短縮が実現した。この内訳は，ソフト改
良：60ms，高速 PC の置換え：140ms，新規ビデオコンバータ：200ms である。ソフト改良の効果が少ないのは魚眼レンズカメラのインターフェース
が低速の USB1.1 であるためである。フレームレー
トが 15fps と低いのはインターフェースが原因と思われる。
図-12 に走行・掘削実験の環境を再現した表示遅
延量測定状況を示す。また,今回開発したビデオコ
ンバータの仕様を表-2 に記す。図-11 に遅延量計
測で 50ms を達成した状況を示す。
表-2

ビデオ変換機の詳細

図-12

俯瞰映像の遅れ測定

2.6 特性評価のまとめ
俯瞰映像が遠隔操作で作業ができるかは文献 2)
で時間と精度で検証され，障害物走行に有効であるとしている。今回はその実証実験での課題や俯瞰映像特有の懸念事項について調査実験をおこなった。地山の状況の把握や車体の傾きの認識に関しては，問題が無いことが分かり，俯瞰映像の遅延量が 700ms であることから遠隔操作作業が可能であると判断した。
遅延量の減少を阻害している魚眼レンズカメラ
を高速版に換えることで遅延量減少とフレーム数（fps）が向上する可能性を見出した。
３．俯瞰映像提示システムの高速化
3.1 表示遅延の要因調査
さらに遅延時間を減少させるためには,俯瞰映像の表示遅延の要因調査を行うことに効果があると考えた。図-13 に遅延の要因毎に分けた構造図を示す。但し屋内試験のため有線で実施したので,無線伝送と H.264 の伝送装置の遅延は含まれない。

イ ン タ ー フ ェ ー ス HDMI
画像圧縮方式
H.264
解像度
1360× 768
最 大 フ レ ー ム レ ー 30fps
遅延量50～ 100ms

図-11

ビデオ変換機の遅延測定

図-13

- 8 -

遅延構造図

以下の 6 要素の測定を行った結果，推測どおり
魚眼レンズカメラの画像取得の処理時間が多いことが判明した。
１） 画像取得
２） 画像処理３） エンコード
４） 送受信５） デコード
６） 画像表示総合遅延

t1 = 150ms
t2 = 70ms
t3 = 65ms
t4 = 10ms
t5 = 40ms
t6 = 40ms

3.2 魚眼レンズカメラの変更
画像取得処理時間を短縮するために魚眼レンズ
カメラを USB3.0 のインターフェースの製品に変更することにした。また魚眼レンズもカメラに適合するレンズに変更した。表-3 にカメラとレンズの仕様を示す。図-14 にレンズとカメラの組立状況を示す。

CMOSセンサー
60万画素
最大30fps180°
温度5℃～40℃、湿度20％～80％

4.2 横に 2 台並べた方法
掘削作業用の映像と走行時の足元を映すための映像を上下 2 段に配置した状況を図-15 に示す．上段の映像は歪みも少なく 180°見渡せる。下段の映像は下向きに取り付けたためやや違和感がある。
左右の映像の合わせ目はほとんどわからない。
なお上下の画像は特に処理をしていないためずれている。

レンズとカメラの仕様

レンズ仕様
焦点距離
絞り範囲
フォーカス
アイリス
画角
使用温度

カメラの仕様また，縦置きに設置した場合の 90°回転も数行のプログラム変更で可能である。

T=t1+t2+t3+t4+t5+t6 = 375ms

表-3

表-4

インターフェース USB2.0
映像素子
動画フォーマット MJPG、YUY2
画素数
解像度
1280×480ピクセル 最大フレームレート
フォーカス
固定
視野角
焦点距離
70cm～∞
動作環境

カメラ仕様

インターフェース
1.4mm
F1.4～F16 映像素子
固定
画素数
手動
解像度
185°（φ4.6mm） 最大フレームレート-10℃～+50℃ 使用温度

USB3.0
CMOSセンサー
130万画素1280×1024ピクセル
最大60fps
0℃～45℃
図-15

2 眼合成カメラレイアウト 1

図-15 ではブームが映らないのでブーム全体が映るように向きと位置を調整したのが図-16 の映像である。この映像は自然で違和感がない。

図-14

USB3.0 魚眼レンズカメラ

４．テレビ会議用 2 眼合成カメラ映像の取り組み
最近，テレビ会議用に販売された 2 つのカメラ
レンズを合成して歪みの少ない 180°画角を実現した WEB カメラを利用して遠隔操作に与える効果を検討した。
4.1 カメラの仕様とソフト開発ツール
今回採用した WEB カメラの仕様を表-4 に記す。
インターフェースとして UVC（Universal Serial
Bus Device Class）に対応しているため開発ツール【Microsoft Visual C++ 2010 Express Edition
OpenCV2.4.8(画像処理ライブラリ)】で簡易に取り込み表示ソフトを開発することができた。

図-162 眼合成カメラレイアウト 2

4.3 縦横に 1 台ずつ取り付ける方法
1 台はブーム全体を映すために縦向きに取り付けてみた。（図-17 参照）1 台のディスプレイに同時の表示したため，縦長の映像が小さくなってし
まい解像度もすくない。2 台のディスプレイに分け- 9 -て表示してみないと評価できない。

図-172 眼合成カメラレイアウト 3

4.4 横に 2 台並べるが 1 台は運転席内に取り付け
1 台はオペレータの目線を確保するため運転席に取り付け，もう 1 台は足元のキャタピラ部が映る下向きに取り付けたのが図-18 である。意外とオ
ペレータには乗車している感覚があり好評であった。下の映像の縦の幅が広くなればよさそうである。

可能となるのが最大の強みである。すなわち魚眼
レンズカメラによる俯瞰映像を利用した遠隔操作
は，簡易遠隔操縦装置との組み合わせで緊急対応
における復旧工事に有効であることが確認された。
今後は，魚眼レンズカメラの高速版に変更して遅延量を 500ms 以下に短縮することを目標に開発を続けていく予定である。また，掘削用の前方映像の画角や方向を画像処理技術の利用で自由に変更できる機能を追加する予定である。この機能があれば，掘削作業中は掘削箇所を，走行中は足元を，ダンプへの積込み時は荷台の上方へと 3 台のカメラを 1 台のカメラで賄うことができるようになる。これらの開発後に今年の 12 月に雲仙普賢岳
で実地検証する予定である。
2011 年 3 月の東日本大震災以降,災害対策に関する研究開発の公募が急に増えているので,今後様々な技術開発が進むであろう。本稿が参考になれば幸いである。
本稿を作成するにあたり，東京大学大学院工学系研究科精密工学専攻の淺間先生，山下先生及び研究室の方々とライテックス岡本氏，テレパワー
鈴木氏，㈱フジタ東京支店津田沼区画整理作業所にご協力を頂きました。記してお礼を申し上げま
す。
参考文献

図-18

2 眼合成カメラレイアウト 4

4.5 本検討のまとめ
テレビ会議用 2 眼合成カメラの遠隔操作用の採用とカメラの配置や向きについて検討した。取扱
いや開発の容易さからかなり期待が持てる。今回はレイアウト検討だけであるが俯瞰映像と合わせて可能性を十分感じた。また，HDMI 出力機能の画角 170°のカメラも検討していく予定である。
５．おわりに今回の特性評価実験は汎用油圧ショベルに外付け式の簡易遠隔操縦装置（九州地方整備局技術事務所と当社の共同開発）を搭載して行った。この装置との組み合わせで遠隔操縦専用機が無くても無人化施工が可能で，固定カメラや移動カメラ車等の設備が不要になることから早期工事の着手が

1) 山口崇,吉田正,石松豊,“遠隔操作におけるマンマシンインターフェースに関する実態調査”,
土木学会第 59 回年次学術講演会概要集,Vol.59,
pp.373–374,2004
2) 野末晃,三鬼尚臣,三村洋一,藤岡晃,組田良則：“携帯電話通信による超長距離遠隔操作の可用性検証について”,第 13 回建設ロボットシンポジ
ウム論文集,Vol.13,pp.75-84,20123) 佐藤貴亮, Alessandro Moro, 藤井浩光, 杉本
和也, 野末晃, 三村洋一,小幡克実, 山下淳, 淺
間一“無人化施工における擬似俯瞰映像提示システムの開発”,第 19 回ロボティクスシンポジア講
演予稿集, pp.346-352,2014
4) 新田恭士,松尾修,北原成郎,黒田昇,田村圭司,
下田孝徳：“超長距離無人化施工技術の適用性に関する考察”,第 13 回建設ロボットシンポジウム論
文集,Vol.13,pp.41-50,20115) 三村洋一，三鬼尚臣，野末晃，小幡克実：“無人化施工における映像と通信の関係について”，第14 回建設ロボットシンポジウム論文集, Vol.14,
pp.29-38,2014- 10 -

３．セメント系地盤改良における排泥処理システムの開発―無機系特殊固化剤を用いた排泥の安定処理技術―

東亜建設工業株式会社
東北大学大学院環境科学研究科
株式会社森環境技術研究所
有限会社カワセツ

１．はじめに高圧噴射攪拌工法等のセメント系の地盤改良では，地盤を高圧水等で切削し，セメント固化剤を噴射し攪拌混合することで地盤を固結させる（図-1）．このような改良原理より，同種工法では，造成される固結体の体積以上の大量のセメント混じりの排泥が発生する．発生した排泥は，多くは産業廃棄物として取り扱われ，環境に大きな負荷を与えるだけではなく，処分費用によるコスト高等，同種工法における課題であった．
著者らは，セメント系地盤改良にて発生した排泥に無機系の特殊固化剤を添加混合することで排泥を改質することを目的とした安定処理システムの開発に取り組んでいる．
本報告では，その第 1 報として，無機系特殊固化剤による室内配合試験結果について報告する．

○大野 康年
高橋 弘
森 雅人
江草 清行

泉

信也

今尾

佳貞

境配慮型の固化剤である．
同固化剤の特徴を以下の(1)～(3)に示す．
[特 徴](1) 混合攪拌により固化熱は発生しない．
(2) 処理土からのアルカリ溶出はない．
(3) 泥土等の対象土と混合攪拌処理後，微量の遊離水が分離する．
2.2 処理装置の概要
同固化剤と泥土を攪拌混合する処理装置の例を
写真-1 に示す．攪拌方法は，バックホウに取り付けたミキシングバケットにて混合するが，同固化剤の攪拌性能を考慮した攪拌速度を設定している．

排泥液ピット
排泥液

圧縮空気

ナノバブル水硬化材

写真-1
図-1 高圧噴射攪拌工法の概要 1)

２．排泥安定処理システムの概要
2.1 無機系特殊固化剤の概要
本システムに使用する無機系特殊固化剤は，活性シリカ，木質系焼却灰，凝集剤およびゼオライ
トから構成される，同固化剤は，含水比 20～600%の範囲の泥土（セメント混合土含），残土および有機質土と攪拌混合処理することにて，処理土は固化し，強度発現する．また，重金属を含まない環処理装置の例

３．室内試験
無機系固化剤の泥土処理性能を確認するためセメント排泥を模擬した現地砂と普通ポルトランド
セメントを混合し作製した泥土（セメント混合土）に同固化剤を混合処理し，処理土についてモルタ
ルフロー試験，ブリージング試験，一軸圧縮試験を実施した．
3.1 使用泥土
本試験で使用した泥土は，現地砂と普通ポルト- 11 -

ランドセメントを配合し，作製したものである．
現地砂は，千葉県南袖で採取した現地埋立て土砂
で，土粒子密度ρs=2.68g/cm3，平均粒径D50=0.16mm，細粒分含有率Fc=10%である．図-2に同埋立て土砂（南袖砂）の粒径加積曲線を示す．
表-2に泥土の配合を示す．泥土は，含水比40,50%の二種類について試験を実施した．

表-3 試験ケース

ケース

80

1
2
3
4
5
6
7

60

300

40

250

100

フロー値 (cm)

通過重量百分率 (%)

南袖砂

20
0
0.01

0.1

1

10

粒 径 (mm)

泥土
含水比 (%)

無機系固化剤3
添加量 (kg/m )

15
20
25
20
25
30
35

40

50

泥土含水比
40%
50%

200
150
100
50

図-2 現地埋立て土砂の粒径加積曲線

0

泥土含水比

0

使用泥土の配合(%)

普通セメント (kg)
混和剤 (kg)
水 (kg)
南袖砂 (kg)

40
0.5
0.0075
0.904
1.78

10

20

30

40

50

固化剤の添加量(kg/m3)

50
0.5
0.00751.132
1.78

図-3 フロー値～添加量関係
2000

3.2 試験方法
試験は，表-2に示す泥土に対して無機系特殊固化剤の添加量を変えて混合直後の処理土について
モルタルフロー試験を実施した．泥土と同固化剤の混合はハンドミキサーを使用した．同試験は，吸水性樹脂による軟弱土改良システムにおけるモ
ルタルフロー試験方法に準拠し，50回落下時のフロー値を測定した．また，同フロー値が150mm 以内であれば処理土の運搬が可能であること 2) から,150mm以内となる無機系特殊固化剤の配合処
理土について一軸圧縮試験を実施した．一軸圧縮試験時の材令は，2日と7日である．表-3に試験ケースを示す．

一軸圧縮強さ qu (kPa)

表-2

泥土w=40%+固化剤20kg/m3
泥土w=50%+固化剤35kg/m3

1500

1000

500

0
0

2

4
6
材 令 (日)810

図-4 処理土の一軸圧縮強さ～材令関係

４．まとめ
無機系特殊固化剤を用いた排泥の安定処理技術に関する開発の第1報として，室内配合試験結果について報告した．今後は，現地セメント排泥による適用結果および浚渫土砂への適用も検討したいと考えている．
3.3 試験結果
最後に本試験にご協力いただいた(株)ワイビー
図-3にフロー値と無機系固化剤添加量の関係を示す．フロー値が150cm以下となる固化剤添加量は， エム 柳本氏に感謝致します．
含水比40%泥土および50%泥土に対して，20kg/m3
参考文献
および35kg/m3であった．図-4に処理土の一軸圧縮
強さと材令の関係を示す．処理土の一軸圧縮強さ 1) 東亜建設工業株式会社；マグナムジェット工法技術資料
2013．
は ， 材 令 2 日 に て qu=250 ～ 700kPa, 材 令 7 日 に て
2) ボンテラン工法研究会；ボンテラン工法技術資料
qu=700～1200kPaであった．

- 12 -

４．既設戸建住宅に適用可能な高圧噴射攪拌工法の開発
楕円状コラムの築造を可能とする Miny マルチ工法

前田建設工業株式会社
前田建設工業株式会社
株式会社ミヤマ工業

○ 川西
山内
宮

敦士
崇寛
朗

1630

１．はじめに
東日本大震災以降，既設戸建住宅の液状化対策として，周辺道路を含めた既設戸建住宅との一体事業である市街地液状化対策事業が進められている。市街地液状化対策工法の有効な工法の１つに格子状地中壁工法 1)がある。格子状地中壁は深層混合処理工法（機械攪拌工法・高圧噴射攪拌工法）
600
750を用いて，既設戸建住宅の敷地境界部分と周辺道
路を格子状に地中壁を築造し，地震時の地盤のせ
正面図
側面図
ん断変形を軽減することで格子内地盤の液状化を
図-1 超小型施工機械
抑制するものである。
既設戸建住宅の敷地内で格子状地中壁を築造す
るには，比較的施工機械がコンパクトな高圧噴射攪拌工法が不可欠である。しかし，従来工法では既設戸建住宅の狭隘な敷地内への対応は十分とは言えず，また改良体の品質が土質性状や強度に影響を受けやすいという課題もある。さらに，工事費の一部を所有者が負担する本事業では，事業成立に必要な合意を形成するために，従来工法に対して大幅なコストダウンが求められている。
写真-1 施工のイメージ
このような背景を踏まえ，既設戸建住宅の敷地内で施工を可能とし，一定以上の品質を安定的に2.2 楕円状コラムで経済的かつ効果的な格子状供給可能で，経済的かつ効果的な格子状地中壁工
地中壁の築造が可能
法を築造することを目的に「Miny マルチ工法」を経済的かつ効果的な格子状地中壁を構築するた開発・実用化した。本報では，本工法の概要，おめ，独自開発のロッド回転制御の採用により，図
よび性能確認試験について報告する。
-2 に示す新しい改良形状となる楕円状コラム改良体の築造を可能とした。
２．工法の特徴
本工法の主な特徴は下記の 3 点である。以降，各特徴の詳細について述べる。
① 既設戸建住宅の敷地境界の狭隘地に対応② 楕円状コラムで経済的かつ効果的な格子状地中壁の築造が可能③ 一定以上の品質の安定的な供給が可能
2.1 既設戸建住宅の敷地境界の狭隘地に対応
本工法は，既設戸建住宅の敷地内で施工を可能とするため，幅 1m×高さ 2m 程度の狭隘空間で施工可能な，超小型専用マシン（本体：W60cm×D75
×H163cm，重量 400kg）を開発した(図-1，写真-1)。

- 13 -

図-2

楕円状コラムの形状

図-3 に□-13m×13m の有効壁厚 85cm 以上，最小壁厚 60cm 以上の格子状地中壁に対し，従来の高圧噴射攪拌工法（直径 1.5m の円柱状改良を想定）との対比を示す。楕円状コラムでは施工本数を60%削減でき，改良体積を 20%削減することで，大幅な工期短縮とコストダウンを可能とした。
他工法（高圧噴射）

Minyマルチ工法

13000

13000

50坪程度
1格子当たり：16本（3.6-1.2m楕円）

13000

13000

1500

1200

3600

50坪程度
1格子当たり：40本（φ1.5m）

造成本数：60%減
造成体積：20%減

図-3(2) 独自開発のリアルタイム品質確認方法
本工法では，独自開発のリアルタイム品質確認方法 2)を社内基準で品質管理に取り入れた管理を行なうことを標準としている。コラムの出来形に関しては光ファイバー温度計による出来形確認，強度に関しては排泥を利用した塩酸溶解熱法による 28 日強度予測である。

従来工法との対比

2.3 一定以上の品質の安定的な供給が可能
従来，噴射攪拌式深層混合処理工法は，改良径を造成仕様で設定されるが，水平噴射による地盤切削では，切削距離が土質性状や強度に影響を受けやすく，一定以上の改良体品質の安定的な供給について課題がある。
そこで，一定以上の改良体品質を安定的に供給するため，以下の事項を取入れた施工・品質管理を行なうことで，一定以上の改良体品質を安定的に供給することを可能とした。
(1) リアルタイム管理装置
改良体の品質確保には，専用ロッドの引上速度・搖動角度・回転速度，硬化材の流量・圧力・空気量が所定の管理値を下回ることなく削孔・造成することが重要である。そこで，本工法ではリアルタイム管理装置を開発し標準装備している。
リアルタイム管理装置では，造成時の上記施工管理項目をリアルタイムで表示（データ保存）および制御し，専用管理装置の画面にて一元管理することできる(図-4)。

３．性能確認試験
3.1 基礎試験(1) 試験目的
改良体の改良距離とジェット噴流の水平方向での回転速度は密接な関係がある。ここで，楕円状コラムの築造を行うために，噴射回転速度と改良距離の関係を確認するため現場試験を行った。
(2) 試験場所および土質条件
本実験は茨城県つくば市安食で実施した。試験場所の土質柱状図および改良範囲を図-5 に示す。
(3) 造成仕様および試験ケース
表-1 に造成仕様を示す。コ
ラムは，ジェッ
ト噴流を両側に噴射し，ロッドを 180 度揺動することでコ
ラムを築造し，
図-6 に示す回
転速度の概念のように回転速度を可変させ，表-2 に示す
実験ケースでコラムの築造図-5 土質柱状図および改良範囲
を行った。
表-1
項目
硬

化

噴

材

射

造成仕様
配

方

合

配合 1（W/C=137%）

向両側

1 方向当りの噴射量

95ℓ/min

噴

力

40MPa

圧

縮

空

気

圧

0.7MPa

圧

縮

空

気

量

5.0Nm3/min

射

圧

揺

動

角

度

180 度*

切

削

回

数

2回

P

高

2.5cm

m 当たりの STEP 数

40 回

回

各ケースで設定（表-2）

S

図-4

造成仕様

T

E
転

速

度

*両側噴射で 180 度揺動により 360 度のコラムを築造

リアルタイム管理装置画面- 14 -

噴射方向

揺動角θ

vmax
回転速度 v（0→180→0 で揺動）

vmin
0

90
揺動角度θ

図-6

180

回転速度の概念図
写真-2

ケース
CASE1
CASE2
CASE3
CASE4
CASE5
CASE6

表-2 試験ケース
最小回転速度
最大回転速度vmin（rpm）
vmax（rpm）
3.0
5.0
1.5
2.5
2.0
10.0
3.0
10.0
1.0
5.0
1.5
20.0

コラムの掘起し状況

コラム頭部の形状測量結果を基に，図-8 に示すように各ケースの造成した回転速度と改良距離で整理した。ある程度のバラつきはあるが，回転速度と改良距離に相関性があることを確認した。

(4) 試験結果築造したコラムを掘起し，コラム頭部の形状測量を行った。試験結果を図-7，コラムの掘起し状
況を写真-2 に示す。
図-8
1500

1100

1400

950

1400

CASE2

950

造成位置

造成位置

2300

1900

1500



1150

900

1100

1150

900

造成位置

1700

1300

CASE6

750

825

CASE4

造成位置

図-7

(1)

造成位置

750

825

1300

1

  cos   2.5  sin   2.5  2.5
L  
    1800 
600

 


CASE5

CASE3

1400

本工法の設計とする楕円形状は図-2 に示す楕円の式で，角度 θ のとき距離 L とすれば x=Lcosθ，
y=Lsinθ となり式(1)のとおりとなる。式(1)を図-8に示す近似式に代入して，図-9 に示す楕円状コラ
ムの築造に必要な必要回転速度と揺動角度の関係を得ることができる。つまり，コラムの出来形に関わる施工管理は，各揺動角度に対して図-9 に示す必要回転速度以下で管理することで，所定の出来形に関する品質を確保できると考えられる。

1100

CASE1

回転速度と改良距離の関係

1900

造成位置

コラム頭部の形状測量結果

図-9- 15 -

楕円状コラム築造に必要な揺動角と回転速度の関係

3.2 性能確認試験(1) 試験目的
本工法で築造されるコラムの性能を確認することを目的に性能確認試験を実施した。性能確認試
験の実施現場一覧を表-3 に示す。
表-3

性能確認試験の実施現場一覧

所在地
茨城県つくば市
新潟県新潟市
千葉県浦安市
千葉県千葉市
茨城県鹿島市

主な土質
細砂
砂
シルト
シルト
細砂

N値
5~10
5~15
0~3
0~3
5~10

改良深度
GL-1.5~15.0m
GL-1.5~4.0m
GL-1.5~4.0m
GL-1.5~4.0m
GL-1.5~4.0m(2) 目標性能および確認方法
砂質土（細粒分含有率 Fc≦50%）において，2,500kN/m2 の設計基準強度を確保する事が可能であることを目標性能とした。表-4 に試験項目と確認事項を示す。
表-4
試験項目

5 現場において水平・深度方向の抜取りコアによる一軸圧縮強度は変動係数が 22~27%であり，日本
建築センター指針 4)に示される正規分布の適合判定（有意水準 5%の x2 分布による判定），および変動係数の信頼性確認（有意水準 1%の F 検定）の結果，設計及び検査に使用する変動係数の値として30%，設計基準強度 Fc として 2,500kN/m2 を採用できることを確認した。
(4) 出来形確認試験結果
千葉県浦安市の現場で掘起したコラム出来形，
および設計径と実測値の比較を図-11 に示す。5 現場において図-2 に示す設計径を満足することを確認できた。

試験項目と確認事項

試験方法

確認事項

①抜取コア
試験

コア採取率
一軸圧縮試験

コア採取率の確認，抜取コ
アによる変動係数の確認，抜取コアによる設計基準強
度の設定

②出来形確
認試験

出来形計測

設計径の確認(3) 抜取コア試験結果
コラム強度の安定性を確認するため，コアボー
リングによりコアを採取し，コア採取率と一軸圧
縮強さによる変動係数を各現場で確認した。その結果，5 現場において，全長コア採取率が96.7%~97.7%，1m 当たりコア採取率の最小値が95.7~96.4%であり，建築センター指針 3)に示される
全長コア採取率 95%以上，1m 当たりコア採取率
90%以上を満足する結果であった。
抜取コアによる一軸圧縮試験で，茨城県つくば市の水平方向の抜取りコアによる試験結果を図-10 に示す。

図-11

コラムの出来形および設計径と実測の対比

４．おわりにMiny マルチ法は，基礎試験および複数の現場における性能確認試験を行い，既設戸建住宅の敷地内で施工できる工法として実用化した。今後平成27 年度より市街地液状化対策事業の着工を予定している浦安市をはじめとした各市町村において，本工法の活用により低コストで安心・安全な国土を提供できるよう貢献していきたいと考える。また，実施工によりデータを蓄積し，さらなる安定的な品質確保に向けて信頼性を高めていく所存である。
参考文献
1) 浦安市，液状化対策実現可能性検討委員会入手先＜http://www.city.urayasu.chiba.jp/dd.aspx?menuid=12095 ＞ (参照2014.6.30)
2) 手塚広明・山内崇寛・川西敦士：高圧噴射撹拌工法で改良された地盤の品質管理手法，地盤工学ジャーナル
Vol.8 No.2，pp.251~263，2013
3) 建築物のための地盤改良の設計及び品質管理指針，日本
建築センター，pp.184~188，2002.11

図-10

水平方向の変動係数（茨城県つくば市）

4) 建築物のための地盤改良の設計及び品質管理指針，日本
建築センター，pp.420~427，2002.11- 16 -

５．圧入工法による災害復旧・復興工事について－旧北上川護岸工事－㈱技研製作所木村

育正

力を発揮できるため，いずれの杭材に対しても必１．はじめに
東日本大震災のつめ跡はあらためて，災害の悲 要最小限の機体寸法であり，コンパクトな形状と惨さを浮き彫りにした。我が国は世界でも有数の なっている。災害復旧や事前防災対策では近隣に災害多発国であるため，災害との付き合い方に多 民家が存在することが多く，施工スペースの制限
分に慣れている国民性のはずではあるが，過去の 等から圧入工法が選択されるケースは多い。以降
災害の教訓を活かしきれていない側面が存在する。 に圧入工法で実施した災害復旧工事の事例を記す。
過去に被災した先人の苦労を無駄にしないため
２．旧北上川護岸工事にも災害復旧・復興を積極的に推し進めるととも
旧北上川の河口部は河川堤防がない無堤区間でに，今後 30 年以内に発生する確率が 70％と言われあったため，沿川に広がる市街地全体が津波に吞る首都直下地震や南海トラフ巨大地震に対してもみ込まれ，甚大な被害が生じた。写真－1～3 に津尊い人命を損なわないようにしっかりとした事前
波の襲来前と襲来時，襲来後の状況を示す。護岸
防災対策に取り組むことが必要である。
構造物自体は津波の影響を受けても倒壊には至らなかったものの地震による広域沈降で約 70cm 地
盤沈下したため，浸水被害が生じた。

旧北上川中州地区の被災前状況（2010 年 9 月）1)

写真-1

図-1

圧入メカニズム

ここで説明する圧入工法とは公害対処という社会の要請を先取りして考案された，無振動・無騒
音による杭打ち用建設機械，圧入機「サイレントパイラー」の発明によって生み出された施工法である。圧入工法のメカニズムを図－1 に示すが，既に打込まれた杭をつかんで，その杭の引抜抵抗力
を反力とし，静的荷重で次の杭を地中に押し込む「圧入原理」を有しており，地球と一体化した反力杭をつかんでいる圧入機に転倒の危険性は無く，安全かつ迅速な災害復旧工事を可能とする。開発
第 1 号機から，70MPa という超高圧かつ大流量の油圧を採用しており，小さい機体から大きな施工能- 17 -

写真-2

写真-3

津波被災時の状況（2011 年 3 月）1)

被災後の状況（2011 年 3 月）1)

N 値が 180 を超える実績も多数存在することから，
全国圧入協会が実績をまとめ，換算 N 値が 180 以
上の地盤も積算基準で運用できるように準備しているところである。
一方，鋼管矢板の施工は以下の理由により打撃や振動を伴う施工は採用できなかった。
① 工事箇所近傍の建物は全て津波被害を受けているが倒壊せずに残っているため、工事による振動等により，建物にそれ以上の図-2 護岸構造断面図
ダメージを与えたくなかった。
② 津波被災直後はほとんどの住民が避難生
緊急復旧により浸水被害対策を講じたものの，活を送っていたが，時間が経つにつれ自宅復興に向けては新たに堤防も含めた護岸構造物をでの生活に戻る住民が増加し，工事の騒音，再構築することになった。
振動等による迷惑をかけられない。
再構築となる築堤護岸延長は左岸側が約 8.6km，
そのため，施工法としては「鋼管矢板圧入工法」
右岸側は約 9.3 km となっている。
護岸構造は既設護岸の前面に広幅鋼矢板または （NETIS No：CB-980119-V）が選定された。
冒頭述べているとおり，地盤は比較的硬質であ鋼管矢板を打込み，既設護岸との間を埋め戻し，その背面に堤防を構築し、高潮や津波等に対抗す るため鋼管矢板の圧入工事に際しては，ウォータる形式となっている。鋼管矢板を用いる代表的な ージェットの流量を 2,000 リットル/分以上（全国
堤防形式の断面を図－2 に示す。地盤条件は比較 圧入協会編積算資料）に設定する必要があった。
的硬質な地盤であるため，広幅鋼矢板はオーガ併 ただし，新たなボーリングデータの結果から，当用圧入の「硬質地盤クリア工法」（NETIS No： 現場の換算 N 値の最大値が 200 を超えること，さらに写真－4 に示す転石が確認できたことなどか
CB-980118-V）により施工している。
ら，「鋼管矢板圧入工法」での適用範囲外との判断のもとに，鋼管杭の先端にビットを付けて回転圧入させる「ジャイロプレス工法」（NETIS No：
KT-060020-A）が選定された。

写真-4

図-3

硬質地盤クリア工法用圧入機

硬質地盤クリア工法は国土交通省土木工事積算基準の中で N 値および換算 N 値の範囲を 50＜N
≦180，で記載され運用されている。ただし，換算

転石の状況「ジャイロプレス工法」とは従来の圧入工法の動作に加えて、回転力を与えることによって鋼管杭の先端に取り付けたビットにより切削力を付加したことで，玉石層や岩盤など硬質地盤はもとより，既設鉄筋コンクリート構造物などの地中障害
物を切削貫通しながら，目的の深度まで鋼管杭を圧入することができる工法である。図－4 にジャイロプレス工法のメカニズムを示す。

- 18 -

写真-6

図－4 ジャイロプレスメカニズム

一般的にはオールケーシング工法のようにケー
シングチューブ等により先行削孔により障害物を除去し，砂やコンクリート等に置換する施工法は以前から存在していたが，これらの施工法は全てケーシング内の掘削を伴っていた。このジャイロプレス工法は硬質な地盤や障害物等があっても，鋼管内の掘削を行わず所定の位置まで杭を打込む施工法である。掘削を伴わないため，杭の打込み作業と管内掘削の重複作業とならないため，従来の施工法と較べると施工スピードが速いのが特徴である。
障害物や硬質地盤の硬さの程度（岩盤等）によってはジャイロプレス工法でも先行削孔を実施するケースがある。その理由は障害物が地表面近くに存在することが多いため，先行削孔杭により障害物のみを先行削孔杭で打ち抜き，引抜いてその後本設用の鋼管杭で打込んでいくことにより，使用するビットの個数を減少させることで工事費の削減を図るためである。ただし，このような場合
でも管内の掘削はおこなわない。

砂礫地盤対応用ビット

現場の条件によっては鋼管杭を引く抜くことができないケースもあるが，そのような場合にはビットの個数を増やして打込めばよい。写真－5は先行削孔杭の先端部である。ビットの消耗度合
いによって取替えが可能なビット形状とホルダーを取り付けている。写真－6 は N 値が 50 程度の砂礫地盤対応の先端仕様である。ビットは鋼管杭と溶接で固定している。

図-5

写真-5

先行削孔用ビット

施工時横断図

当工事における標準的な施工時の横断面図を図－5 に示す。鋼管杭の法線が旧護岸から 10ｍ程度しか離れていないため，クローラークレーンにより杭材の建てこみをおこなった。クレーンの最大
作業半径を越えるようなケースでは鋼管杭の上を自走するクランプクレーン等を用いる「ノンステージング工法」を用いることになる。施工中の状
況を写真－7 に示す。日進量は障害となる捨石の有無やその深さ方向への範囲により異なるが，平- 19 -

均すると 3 本/日程度であった。
鋼管杭の打設後は旧護岸との間を岩ズリで埋め戻すことになる。現在は埋め戻し作業自体に着手していないが，施工時はドライな状態にする必要
がある。

写真-7

等辺山形鋼の打込み後はウォータージェット等を用いて等辺山形鋼間の隙間を洗浄し，モルタルを充填する。
さらに当工事では重防食塗装の鋼管杭を用いていたため回転圧入させる際にこの塗装面を傷めないように防護しながら回転圧入作業を実施した。
防護状況を写真－9 に示す。圧入機が鋼管杭をチャッキングする爪と重防食塗装面の間に鋼板を差し込むことで防護をおこなった。他にもゴム材等を用いることもあるが，いずれにしても慎重な施工が必要となる。

鋼管杭施工状況

鋼管杭を回転圧入しているため，一般的な鋼管
矢板のように継手が無いために締切りするには相応の工夫が必要となる。締切り方法を図－6 に示す。
鋼管杭間距離が 180mm ありその隙間に等辺山形鋼を前面側と背面側の双方に打込む。等辺山形鋼の写真-9 重防食塗装面の防護状況
打込みを写真－8 に示すが，ジャイロパイラーにア
タッチメントを取り付けることで等辺山形鋼の打３．おわりに込みも可能となっている。
ジャイロプレス工法は都市河川の護岸改修で多用されるようになり，徐々に実績を増やし現時点
で 120 件の施工実績がある。特に硬質な岩盤や捨石マウンド等への鋼管杭の打込みで用いられることが増加する傾向にあり，施工効率を上げるための開発に注力しているところである。
本論では災害復旧工事の事例を紹介したが，津波で被災した現場では想像もつかないような障害物が漂流し堆積しているケースが多い。東日本の沿岸部で復興工事に取り組んでいる多くの建設技
図-6 締切り方法
術者も同様な苦労を経験されているものと想像する。本論が類似工事の参考になれば幸いである。
参考文献
1) 国 土 交 通 省 東 北 地 方 整 備 局 HP ：http://www.thr.mlit.go.jp/bumon/b00037/k00290/river-hp/kasen/
shinsaikanren/data/01higai/3kakou.pdf#search='%E6%97%A7%
E5%8C%97%E4%B8%8A%E5%B7%9D+%E8%A2%AB%E7%81%BD
2)木村育正：ジャイロプレス工法について，建設物価，2010・2月号，pp.記事28～記事33， 2010年

写真-8

等辺山形鋼施工状況- 20 -

６．自動追尾式トータルステーションによる地盤改良機誘導管理システム株式会社 大本組 東京本社
株式会社 大本組 東北支店
株式会社 大本組 東北支店

○ 坪田 裕之
小野寺顕彰
西倉 威弘

１．はじめに構造物の基礎地盤の地耐力を安定（支持力増加や沈下抑制）させる地盤改良において,連続した均質な地盤改良体を確保することを目的に「自動追尾式トータルステーション(以下,自動追尾式 TS)
による地盤改良機誘導管理システム」を開発した。
本報告では、開発したシステムの構成および施工事例を紹介する。
T

２．システム概要
本システムは、自動追尾式 TS によるマシンガイ
ダンスシステムを地盤改良機に搭載し,改良機本体の平面位置と機械高さを誘導画面でオペレータに指示するシステムである。
改良位置と既改良エリアとのラップ状態,必要改良深度の一元管理により,施工精度が向上し,堤体基礎の安定性が確保できる。

S側

施

３．システム構成
本マシンガイダンスシステムは,自動追尾式 TS,
管理モニター,全反射プリズム,無線機等で構成する。システム構成を図-1,図-2,表-1 に示す。

工機
側

タッチパネル式モニター
図-2

システム構成

全反射
プリズム
表-1

自動
追尾式 TS

システム構成機器

No.

機器名称

メーカ

1

Total Station

Leica

TPS1105

型式

摘要2

ｼﾘｱﾙ・ﾃﾞﾊﾞｲｽ

MOXA

NPORT5110

3

Air Station

Buffalo

WZR-HP-G301NH

11n対応

4

無線子機

Buffalo

WLI-TX4-AG300N

11n対応

追尾機能

5

PC

Panasonic

CF-18

耐衝撃

6

HT PC

Mouse COM

luvPad WN70-H

遠隔

地盤改良エリア
図-1

システム概念図

４．誘導管理方法
4.1 施工手順
施工時における施工手順を図-3 に示す。

- 21 -

(2) 区割りの事前登録
事前に区割計画を行い,区割座標を事前に登録する。区割座標は４点の座標で管理する。

自動追尾式 TS 設置

PC にて後方交会※測距誤差を確認
誘導開始
図-3

施工手順

4.2 施工管理
自動追尾式 TS を用いて,地盤改良機の位置,掘削深さを測量し,運転席のコンピュータに表示する。
オペレータは,モニターを確認しながら改良する。
予め施工範囲を管理ブロック（区割）に分割し,その区割に改良機の位置座標をあてはめ,改良機が区割内で設定深度まで改良されたと判定した場合は黄色（任意設定）、未改良区間であった場合は赤色（任意設定）と色分表示する。

座標(区割)登録
図-6

区割 TABLE(3) オペレータによる設定（施工時）①事前登録した区割一覧より施工箇所を選択する

・改良位置および深度まで視覚（数値）で誘導・改良済は黄色、未改良は赤色で区分け表示

一次選択

図-4

二次選択

施工管理モニター

4.3 設定および操作(1) キャリブレーション
トレンチャー幅、全反射プリズム等のキャリブ
レーションを実施する。
図-7

施工位置（区割）の選択②区割方向に対する施工機械の位置関係を施工開始前に確認し変更する。（トレンチャー中心は、
追尾する全反射プリズム位置からオフセットした距離としている）

図-5

キャリブレーション- 22 -

赤：NG 箇所黄：OK 箇所※4 パターンから選択

管理モニター
無線機 BOX
写真-2

図-8

キャビン内管理システム

５．出来形管理・帳票作成システム
出来形管理を以下に示す。トレンチャー中心座
標・深度を管理し,10 秒毎に施工データを取得する。
図-10 に示すよう,区割毎に軌跡・平面位置（偏差）・深度データをグラフ化する。また,それらデータベースを集約し図-11 に示す作業日報としてエクセルファイル帳票を作成する。

施工位置設定③施工開始および停止
施工開始時

軌跡

施工完了時
設計深度に達し
図-9ない場合は NG

操作モニター(4) 適用状況
写真-1 は,マシンガイダンスシステムによる地盤改良機の施工管理状況である。写真-2 は,地盤改良機キャビン内においてオペレータがモニタリング
する監視システム設置状況である。

平面偏差

設計深度に達しない場合は NG
「軌跡図と連動」
全反射プリズム

深度

自動追尾式 TS

無線機 BOX
写真-1

自動追尾式 TS と施工機械

図-10- 23 -

出来形管理（軌跡・平面偏差・深度）

作
江合川新中島乙下流地区築堤工事施工開始時間 施工終了時間
施工日
13:34:19
15:03:52
2012/11/10

業

日

報

(2) 施工精度
自動追尾式 TS を使用したマシンガイダンスにより効率的に所定位置へ精度よく誘導できた。水
平精度±3mm,高さ精度±3mm 以内を確保できる。
(3) オペレータの負荷低減
視覚的に誘導できるため,オペレータの負荷が低減できる。また,オペレータの技量によらない均一な施工が可能となる。
(4) 安全性
地盤改良機付近に作業員,誘導員等が必要なく,接触事故が回避されるため安全性が向上する。

工事名

施工機械
番号
B-19

改良機①

座標No.1
13.9493 559.5148

区割
座標No.2
座標No.318.8865 560.3048
19.6766 555.3676

座標No.414.7394 554.5776

No.3

No.4

No.1

No.2
改良機
軌跡

図-11

深度

作業日報（区割毎）

６．施工時における問題点および対策
以下に,本システムの現場適用に当たって確認された問題点と対応策を示す。
(1) 問題点①自動追尾式 TS のバッテリーが 2～3 時間程度しか保持できない。
②通信不能により追尾が不能となる。
③施工中に自動追尾が解除される。
(2) 対策「下記番号は上記番号と符号」①商用電力,発電機等から電力を供給できるよう電源部を改良した。
②通信不能の原因として、自動追尾式 TS と通信ケ
ーブル接続の不具合であると確認されたため、無線 BOX 内の各種機器の配置を変更し対応した。
③発生原因は,改良機の動作が大きくなることにより,プリズムが振幅して追尾・測距の一連動作が追従できなかったことによる。追尾・測距する
リトライ回数を調整することにより、エラー発生率を低減したが、今後振幅を低減できるようプリズム設置方法を改善する予定である。

写真-3

従来の誘導方法

８．適用条件
地盤改良機および杭打機による施工等に適用可能である。但し,下記においては適用範囲外となる。
(1) 自動追尾式 TS と全反射プリズム間に障害物があり視認できない場合(2) 自動追尾式 TS と全反射プリズム間距離が500m 以上となる場合

７．マシンガイダンスシステム適用による効果(1) 施工性
従来,改良機誘導は,写真-3 に示すように区割毎に測量し,トレンチャー幅毎にポール等を設置する。
オペレータは,ポールを見通すことによりトレンチ ９．おわりにャーを誘導し施工する。また,改良深度はオートレ
今回開発したマシンガイダンスシステムにより,ベルにて測定していた。
地盤改良機を効率よく目標位置へ誘導でき,高精度
本マシンガイダンスシステムの適用により,人力 な施工が可能であることを確認した。
による目通しポールの設置および区割測量等の事
従来の施工管理は,トレンチャーの鉛直性,チェ
前準備を省略でき,施工性の向上が図られるととも ーン速度,チェーン累積移動距離,改良深度等を運に経済性が向上する。
転席にてモニタリングしながらトレンチャーを操※事前準備時間：区割の測量および目通しポール 作し施工管理している。
の設置等で約 30 分要す。
今後,開発したマシンガイダンスシステムと従来
また,施工中はリアルタイムにトレンチャーの軌 の施工管理を融合し,より高品質で施工精度の高い跡を視認でき,蛇行等による未改良範囲が発生した 施工管理システムの構築を行いたい。
場合でも再改良等の対応が即座に可能となる。

- 24 -

７．振動ローラの自律転圧走行の実証
次世代無人化施工システムの開発

大成建設株式会社技術センター

１．はじめに無人化施工は，雲仙普賢岳(長崎県)や有珠山(北海道)といった火山関連の災害復旧や，全国各地の台風・豪雨後の土砂災害復旧工事等の自然災害復
旧等に適用されている。
弊社では，90 年代中盤より前記の雲仙普賢岳や有珠山等で無人化施工を行っており，施工面はもちろん，技術面・経済面・安全面等の様々な場面を経験しているが，この無人化施工技術が災害復旧等に対して盤石な技術と言い切れるかというところに疑問を持っている。例えば，東日本大震災
によって被災した東京電力㈱福島第一原子力発電所にも一番早く着手させて頂いたが，無人化施工
技術が 100%目的を果たしたかというと（自然災害と原子力災害では同じレベルでないのは差し引いても），被災から三年以上経過した今の原子力発電所の状況を見ても，決してそうではないと言わざるを得ない。
また，雲仙普賢岳等では所期の目的を果たしているが，将来（次世代）に向けて更なる劣悪環境に対応する無人化施工技術が必要であるという思いから，国土交通省の建設技術研究開発助成制度を活用し，「次世代無人化施工システムの開発」を課題に，社会へ有効に還元される事を目標に取り組んでいる。
２．研究の背景
2.1 無人化施工の概要
無人化施工は，ラジコンで建設機械を操作する
無線操縦システムと，オペレータが建設機械を操作して作業するのに必要な現場周辺の画像を伝送する画像伝送システムの 2 つを組み合わせて，安全な場所から建設機械を遠隔操作して作業を行うことである（図-1）。1994 年の雲仙普賢岳の噴火災
害復旧工事では，どちらのシステムも確立された技術ではなかったため，雲仙普賢岳の復旧と共に様々な技術を考案し，問題を解決しながら，無人化施工技術として確立してきた 1)。

図-1

宮崎 裕道
○青木 浩章片山 三郎

無人化施工のイメージ

2.2 現在の無人化施工の問題点と自律型制御
現在の無人化施工は，現場から送られてくる建設機械の作業状況の映像を複数のモニタ画面を見ながら遠隔操作を行うため，オペレータは作業箇
所周囲の状況を直接五感で感じながら操作する事が出来ない。したがって，有人施工とは違った運転技術が必要となり，オペレータの技量によって作業の出来が大きく異なることもあるため，緊急な現場や複雑な操作を必要とする状況下では対応力に懸念がある。また，複数の画像取得のための装置と通信環境が必要といった点も無人化施工適用の障害となっている。さらに，こういった技術を継承する現場自体も少ないのが現状で，このままでは今後の自然災害等の対応を，無人化施工にて対応する事が厳しくなると目される（図-2）。

図-2従来型無人化施工（モニター方式）

そこで，前述の問題を解決するために，作業機
械に人間の五感に代わるセンサ類を搭載し，作業- 25 -

開始命令を与えれば自ら判断して作業を行う「自律制御技術」を適用した次世代型の無人化施工シ
ステムの開発を行った（図-3）。

図-5

図-3

次世代型無人化施工

これにより，機械が自ら判断して作業を行うため常時操作が不要となり，オペレータの技量に大きく依存することなく操作が可能となる。また，
多角的な映像が不要となりカメラ車といった支援
機器が削減されるため，通信量も削減できる。本
編は，平成 25 年度に実証した振動ローラの自律走行について述べるものである。
３．振動ローラの構造と走行アルゴリズム
3.1 構造上の特徴
振動ローラ固有の特徴として，鉄輪を振動させて地面を転圧する点が挙げられる。そのため，振動を考慮したセンサや，設置機器には耐振動・耐衝撃性などが必要となる。また，ステアリングがアーティキュレート機構のため，ステアリングが変化した際に，前後輪が変化するため機体の方向はステアリング角度に向かず，地面と鉄輪との間の摩擦を無視した場合，ステアリング角度の 1/2の方向となる。これは，転動時に前後輪が同一軌跡を通るようにするためである 2)（図-4）。

図-4振動ローラの走行経路の種類

3.2.1 進入路走行
振動ローラが施工場所に進入した際に，機体の方向と 1 レーン目の転圧路の方向は一致することが望ましい。よって，進入経路は振動ローラの現在地の方向線と，1 レーン目の転圧路に内接する円を用いて算出する方法とした（図-6）。

図-6内接円を用いた進入路走行

3.2.2 転圧路走行
同一レーン転圧走行作業において，基本的には始点～終点の単純往復になるが，路面の斜度や状態等で計画路を逸する場合がある。これを修正できるよう，レーン内に通過目標点として数点分割点を設け，進路を修正することとした（図-7）。

アーティキュレート型

3.2 走行アルゴリズム
振動ローラの施工中の走行は，図-5 に示すように進入路走行，転圧路（1 レーン）走行，車線変更に分類することができる。今回は，これらの走行
経路の種類を個別にアルゴリズム化した。
図-7- 26 -

転圧路走行の制御

3.2.3 車線変更
次レーンへの車線変更は進入路走行と同様，機体の方向が次レーンの方向と一致する事が望ましい。よって，相応の曲率と曲線長を持った S 字カーブを描きながら車線変更を行う事とした。図-8
は車線変更幅 400・600・800･1000mm の走行軌跡である。

図-10 にホスト PC に表示される画面を示す。ホスト PC の表示画面では，振動ローラによる転圧回数における施工状況および振動ローラの機体情報を表示する。また，画面上のボタンにて，振動ロ
ーラに自律制御開始命令を送信することができる。

図-10

図-8

走行軌跡と計算値

４．振動ローラの自律走行システム
本研究では，開発したアルゴリズムを以下のシステムに実装した。また，振動ローラの自律化を行うためにはセンサが必要であり，選定したセン
サおよび選定基準を以下に記す。
4.1 システム概要
本システムの構成を図-9 に示す。トータルステーション（以下 TS と記），振動ローラ（11t 級），
ホスト PC で構成されており，機器間は Wi-Fi で通信を行う。TS はジャイロ補正情報取得のため，常時測距を行いホスト PC 側に位置情報を送信している。一方，
振動ローラでは自律制御用 CPU にて，取得したセンサ情報をもとに駆動部の制御量の演算を行い，更にホスト PC から送信されてくる情報を元にジャイロ補正を演算し，振動ローラを目標へ自己誘導を行う「慣性航法」にて走行～転圧作
業を行う。

図-9

システム構成図

ホスト PC 表示画面

4.2 センサの選定
今回実証に使った振動ローラには，人間の五感に代わる以下のセンサ等の機器を搭載した。（図-11）実機は，これらセンサ情報等を簡単に制御に反映できるよう，油圧弁制御が電子制御型となっている機体として，雲仙普賢岳等で実際に使用している遠隔操作仕様の 11t 級の振動ローラを使用した。

自律制御用CPU

全周プリズム

姿勢検出センサ

前方探査センサ

速度検出センサ

ステア角度検出センサ

車載カメラ

図-11

振動ローラと搭載センサ

以下に，振動ローラ（11t 級）に搭載したセンサを示す。
①搭載センサ・姿勢検出センサ（MEMS 型ジャイロ）：姿勢検出角度は±30°以上とする。
・速度検出センサ（ロータリーエンコーダ）：検出速度は 3km/h 以上とする。
・ステア角度検出センサ（ポテンショメータ）：検出角度は±60°（絶対角）以上とする。
・前方探査センサ（2D スキャナ）：検出範囲は前方および後方 3m とする。
・車載カメラ（ネットワークカメラ）：設置条件として雲台無しでも可能なものとする。

- 27 -

・全周プリズム（トータルステーション）：測定距離として自動追尾が 30m 以上可能なものとする。
５．振動ローラの自律走行の実証
5.1 検証実験
本システムの自律走行精度を検証するための実験を行った。以下に設定した施工条件を示す。また，図-12 に実証実験の様子を示す。
・転圧回数：有振動 2 回/レーン・レーン長：25m
・転圧路：3 レーン
・施工ラップ幅：0mm
・走行速度：1km/h

後輪間で発生する不規則な挙動を，演算を工夫することで制御を行うことができた。
さらに，図-13 に示すように，隣り合う二つのレーン間の最大離れ（未転圧幅の最大値）は，約400mm であった。そのため，現在の無人化施工にローラの施工重複幅の基準が 500mm（雲仙普賢岳
周辺砂防ダム等特記仕様書等より）であることから，本システムを導入すれば現行の施工重複幅を20％程度減らすことが可能である。その結果，走行レーン数が減るため施工効率が向上すると考えられる。図-14 に施工効率向上のイメージ図を示す。

図-14

図-12

実証実験の様子

5.2 実験結果
有振動と無振動の自律作業を比較した結果，走行精度に大差はなく，搭載センサ類の耐振動性も十分であった。また，アーティキュレート機構の機械制御においては，車体中央が屈曲する際に前Ｙ軸（ｍ）
往路と復路でＹ増方向へ折り返して描写
50
１レーン目

２レーン目

施工効率向上のイメージ

６．まとめ
今回の実証で，アーティキュレート機構の建設機械において，安価な MEMS ジャイロを使用した
場合でも，独自の自律制御アルゴリズムを用いることによって遠隔操作時と同等以上の走行ができる事を確認した。ただし，今回は無人化施工仕様の振動ローラを使ったため，油圧制御が単純なON-OFF 制御となっていた。理想的にはステアリ
ングの油圧シリンダに比例制御を採用すれば，走行精度の更なる向上が期待できる。

３レーン目

謝辞

復路

本技術開発にあたり技術的な支援を頂いております産官学委員会メンバーに感謝の意を表します。

25
計画線

最大離れ約
400mm
最大離れ４0ｃｍ

参考文献

往路1) 近藤高弘・青木浩章・宮崎裕道：建設業における無人化

軌跡

施工の現状と将来，大成建設技術センター報，第44号，
0

P.19～P.20，2011.

Ｘ軸（ｍ）
2.1ｍ

振動ローラ

図-13

2) 栗原 庸聡・宮崎 裕道・青木 浩章・片山 三郎：振動ロ
ーラの自律走行の実証，大成建設技術センター報，第47

自律締固め軌跡：１レーン目：２レーン目：３レーン目号，P.19～P.20，2014.

走行軌跡- 28 -

８．重機遠隔操作における３D スキャナーの活用
清水建設(株)土木技術本部

１．はじめに
自然災害の調査・復旧、特殊環境下での作業等、無人化施工はその適用範囲の拡大ならび高度化に向けて、さらなる技術開発が求められている。無人化施工では、遠隔操作に必要な画像伝送、無線
通信、情報化施工において、建設業界がその多くを担っている。これらの技術においては、カメラやセンサー、無線通信設備等を活用して、作業装
置の操作判断に必要な情報を取得し、オペレータ
ーに提供することが重要である。

○藤吉

卓也

のやり取りがうまくいかない場合がある。
解決の方策として、“奥行き情報をオペレーターに伝える”という、従来カメラ専用車両が担ってきた役割を、リアルタイム性に優れた３Ｄスキャ
ナーで代替するシステムを発案し、開発を行った。

２．本技術の概要
2.1 開発の背景
無人化施工とは、災害復旧等の危険区域内での作業において、安全な場所からリモコンにより重機の遠隔操作を行うことにより、オペレーターの安全を確保しながら施工を行うものである。運転手はおもに作業重機に取り付けたカメラからの映
像情報（写真-1）を頼りに周囲状況を把握し、作写真-1 重機搭載カメラからの映像
業対象の位置を判断する。しかし、通常のカメラ
映像は平面的であり、作業重機に搭載したカメラから取得する映像だけでは、作業対象に対して奥行き方向の距離情報を把握することは困難である。
よって奥行き情報を補完するカメラ映像が別途必
作業重機要となり、従来は図—1 に示すように作業用重機以
外に、カメラ専用車両を別途操作し、他視点からカメラ
映像を取得していた。しかし、カメラ専用車両の運用においては、いくつかの問題点がある。
① コストアップ
カメラ専用車両
カメラ→奥行き情報取得
直接実作業を行う重機以外に別途、作業に従事しないカメラ専用車両や、カメラ専用車両にも遠隔操作技術に長けた特別なオペレーターが必要であり、コストアップが必須となる。
図-1 カメラ専用車両による奥行き情報取得② 置位置の制約
カメラ専用車両自体の大きさにより、狭隘箇
2.2 技術の概要
所では最適なアングル確保が困難である。
建設業界での３Ｄスキャナーの活用方法は主に③電波干渉測量である。高精度の点群座標データを大量に取カメラ専用車両も無線での操作となるために得できる反面、計測時間が長く、計測中は定置す
回線数が倍増し、電波干渉の可能性が高くなる。
ることが必要であった。しかし重機操作において④オペレーターのストレス必要な距離情報は、精度よりもリアルタイム性がカメラ専用車両の操作者は重機操作者と異な重視される。そこで、一般的な３Ｄスキャナーのるので、操作に必要な映像指示（視点変更操作）
活用方法から発想の転換を行い、高い計測精度よ- 29 -

り、リアルタイム性の高さを重視した。
調査・検討の結果、本システムの実証実験に用いる３Ｄスキャナーは ASUS 社の Xtion PRO LIVEを選定した。選定機種の最大の特徴は、視認性に優れているという点である。計測範囲内の点群座
標データ、RGB 色情報を高速（最大 60fps）で取得・映像化でき、その映像は鮮明である。
本システムの概要を以下に述べる。従来は、操作に関する映像情報の取得のために、作業用重機からの映像に加え、カメラ専用車両を別途配置していた。対して、本システムは作業重機に、３Ｄスキャナーを搭載し、重機搭載カメラ（通常の運転手視点）の２次元映像と並行して、３Ｄスキャ
ナーから３次元映像（写真-2）を取得するものである。 ここで本稿での３次元映像とは、３次元画像化された点群座標データが、カメラ画像とほぼ同調し更新されていくことにより得られる映像とする。この３次元映像を用いて、カメラ専用車両
が取得していた奥行き方向のカメラ映像を代替する。一方、カメラ映像は画像の鮮明さ、視界の広さ、リアルタイム性に優れており、周囲の状況把
握や、奥行き情報を要しない大まかな操作に適している。そこで本システムでは、各々の優位性を組み合わせて、通常のオペレーター視点のカメラ
映像を用いて大半の操作を行うものとし、カメラ映像のみでは得られにくい奥行き方向の情報が必

要な操作は、３次元映像を用いて行うものとした（図-2）。３次元映像の特徴は、視点を変更することにより、重機操作には必要な奥行き情報を、あらゆる角度の視点から自由に取得できることである。本システムはこれらの特性を活かして、奥行き情報を取得するため配置していたカメラ専用車
両を不要とした、無人化施工支援システムである。
３．システム実証実験報告
3.1 実験概要
本システムの有用性の確認および課題抽出を行うため実証実験を行った。重機は無人化施工現場にて稼働しているものを用いた。また重機操作では解体重機運転に習熟したオペレーターに依頼し、遠隔操作に慣れてもらうための操作練習を１日実施したのち実験を開始した。
3.2 実験設備
実験時の主な設備について解説する。実験時の操作全般において、オペレーターは直接重機が見えないという作業条件を設定した。遠隔操作席は、パーテーションで３方を覆い、運転手は正面に設置したモニターに映し出される映像情報を頼りに、リモコンで重機の遠隔操作を行った。
２Dカメラ
重機搭載カメラ

重機搭載カメラ

視点固定（重機搭載）
運転席からの
視点

カメラ専用
車両からの
視点

固定カメラ
パーテーション

固定カメラ

遠隔操作席
・無線遠隔操作
・カメラ映像受信

写真-2
２次元映像

３Ｄスキャナーからの３次元映像

遠隔操作席

図-3

従来システムの実験配置

写真-3

従来システムでの操作状況

３Dスキャナー・３次元映像
視点変更可能 ・奥行き方向の視点

３次元映像

視点変更可能図-2

重機搭載カメラ・2次元映像・通常視点

本システムにおける映像取得方式- 30 -

め検証する必要があった。方法として様々な大き(a)従来システムの構成
図-3 に実験時の従来システムを模擬した試験設 さ・形状の作業対象物に対して把持動作行い、そ。
備構成を示す。実験時は重機搭載カメラに加えて、 の基本データを取得した（写真-5）
奥行き方向の映像情報を得るため、通常カメラ専用車両が配置される位置に固定カメラを設置した。
オペレーターは、これらのカメラから映し出される２つのモニター映像で状況を確認しながら操作を行った（写真-3）。
(b) ３Ｄ無人化施工支援システムの構成
実験時の本システムの設備構成を図―５に示す。
重機搭載カメラは、従来システムと同位置に配置
し、機体の左右に１台ずつ、計２台の３Ｄスキャナーを搭載した。２台の３Ｄスキャナーから得られた３次元映像は、それぞれ遠隔操作席に設置したパソコン画面に出力するものとして（写真-4）、
視点変更は２台が独立して操作可能なものとした。
写真-5 特性確認試験状況

重機搭載カメラ・運転席からの視点
・３次元映像によるあらゆる視点

３Dスキャナー

３Ｄスキャナーと重機搭載カメラの配置

パーテーション

遠隔操作席
・無線遠隔操作
・カメラ映像受信・３次元映像受信

図-4(b) 映像遅延時間の測定
３次元映像のリアルタイム性は、映像遅延時間
がカメラ映像と同程度で、両画像がほぼ同調する程度とした。評価方法としてカメラ映像と３次元映像の実動作に対する映像遅延時間について測定を行った。
測定方法は、重機の実動作、重機搭載カメラ映像および３次元映像をビデオで同時撮影し、得られた映像から、実動作からの遅延時間を後日算出
した（表-1）。

３Ｄスキャナー設置状況

表-1 映像遅延時間測定結果

３Ｄ無人化施工支援システムの実験配置

写真-4

３次元映像出力状況

試験No

鉄骨カッター動作

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
開き始め
閉じ始め
平均遅延時間重機動作に対しての遅延時間(sec)
重機搭載カメラ
0.33
0.47
0.27
0.40
0.30
0.43
0.33
0.40
0.30
0.50
0.30
0.50
0.30
0.50
0.30
0.30
0.30
0.37
0.30
0.36

3Dスキャナー
0.57
0.77
0.33
0.43
0.57
0.27
0.97
0.93
0.70
0.47
0.27
1.03
0.47
1.10
0.37
0.70
0.17
0.33
0.40
0 .5 73.3 機能実証実験(a)３次元映像の特性確認
実験的に得られた点群座標データの計測誤差は、(c)奥行き情報取得機能
3m 離れた対象物において 30～40mm（約１％）程
３Ⅾスキャナーによる３次元映像によって、従度であり、通常の重機操作に支障はないとしてい来のカメラ専用車両と同様に奥行き情報を取得でた。しかし形状、大きさ、光の反射特性といったきる機能が重要である。
対象物の条件、また配置条件（傾き、重なり等）
機能確認の評価手法として、作業対象の正確なによって３次元映像の視認性に差がでることも想
奥行き情報を必要とする角材を積み上げる作業定していた。よって遠隔操作に対しての特性を予- 31 -

（写真-6）や、それらをベッセル内への投入する作業を行った。
結果、従来の無人化施工と同等の機能を有し、かつ特有の視点変更機能を活用することにより、上方視点からのベッセルへの投入位置確認といっ
た、積込み作業において有効な機能（図-5）を確認できた。
3.4 性能評価実験
性能（作業効率）について評価を行うため、図-6 に示す作業 A、B、C について所要時間を計測した。作業 A、B、C いずれにおいても、最も作業時間が短かったのは、本システムによるものであり、平均時間においても作業時間が短縮した。今回実験においては、従来方式に対して同等以上の性能が確認できた。

投棄用
ベッセル

尺角初期
配置位置

作業順序

条件他

作業A

①尺角を把持②ベッセル内へ投入

・尺角一つに対して作業B①尺角を把持②ケーブルドラムに積上げ

・尺角一つに対して・ケーブルドラム径550mm

作業C①尺角を把持②ベッセル内へ投入

・尺角三つに対して・三つの投入順序は任意

図-6

写真-6

３Dスキャナー視点を変更。上方視点からベッセルへの投入位置を確認

図-5 視点変更機能の活用

性能評価実験の作業内容(5)今後の課題
実証実験を通じて３Ⅾスキャナーを用いた本システムが無人化施工において有用であることを確認した。実用化に向けての今後の課題を３つ挙げる。
① ３次元映像の高度化
システムの適用範囲を広げるために、さらに高精度で適用範囲の広い機器用いた評価試験を行う。
また、視認性を高めるためのソフト開発の方向性を検討する。
② 無線通信設備の最適化
施工条件に応じた情報通信方式のカスタマイズ
や無線通信設備と情報処理機器の最適な構成を整理する。
③ 耐久性の向上
防水・防塵、耐振動性といった、ハード面における耐久性の向上を図り、実用性を高める。

ドラムに角材等を積上げる作業

視点変更前

ケーブルドラム４．おわりに無人化施工技術は災害対応だけでなく、老朽化が進行する社会インフラにおける点検作業においても実用性の高い応用技術としてのニーズが高まっている。本システムの実用化により、無人化施工の高度化とともに、建設業の抱えるさまざまな課題解決に貢献できるよう、今後とも取り組んでいきたいと考える。
参考文献
1)

藤吉卓也：重機遠隔操作における3Dスキャナーの活用，建設機械施工，pp.53～58, 2014.4- 32 -

９．TS を用いた出来形管理の護岸工への適用に向けた検討
ブロック張護岸での計測手法立案及び現場試行による省力化効果等の検証

国土交通省
国土技術政策総合研究所○ 近藤 弘嗣
国土技術政策総合研究所
長山 真一(一社)日本建設機械施工協会
椎葉 祐士

１．はじめに国土交通省が定めた第二期情報化施工推進戦略のプログラムの一つに，「トータルステーション（ＴＳ）を用いた出来形管理」の適用工種の拡大が定められている。既に実用化されている土工・舗装工におけるＴＳを用いた出来形管理を周辺工種に拡大することで，効率面で従来は適用が難しかった小規模工事においてもトータルでの省力化が期待できる。本稿では護岸工の出来形管理にＴＳを導入することを想定し，ＴＳによる計測方法の立案，築堤工事現場における試行，計測精度の検証，及び効率面での効果確認を行ったので紹介する。

場合，図-2 のとおり計測点①～③の３か所を計測したうえで，基準高については計測点②の標高値，法長については計測点②から③の斜距離を算出することになる。これは従前の施工管理データ交換
標準(案) Ver.4.1（以下，データ交換標準）でも対応している。しかし厚さ計測の場合，データ交換標
準で対応している２点間の標高値の差異での算出
では護岸工の水平でない厚みは表現できない。そこで次に示す式(1)，式(2)により，法面と直交方向の厚さ t を算出することにした。なお，w，x は計測点の座標間水平距離，y は計測点の座標間標高差，
z は計測点の座標間斜距離で算出できる。

２．計測方法の立案
2.1 対象とする施工管理基準
本稿で検討の対象とする施工管理基準（出来形管理）は護岸工のコンクリートブロック張（図-1）である。
コンクリートブロック張の測定項目は，基準高，法長，コンクリートブロック厚さ，裏込厚さ，延長となっている 1)。

図-1

t  z sin C ··································(1)C  90  ( A  B)xv
 90  (tan 1  tan 1 ) ··········(2)yw

ブロック張護岸の出来形管理項目

2.2 計測点及び算出方法
ＴＳにより上記の出来形計測項目の測定を行う- 33 -

図-2

護岸工出来形計測点及び厚さ算出方法

３．築堤工事現場における試行
河川土工と護岸工の一連の工事を対象に，ＴＳを用いた出来形管理を導入した場合の計測精度及び時間短縮効果を検証するため，コンクリートブ
ロック張を含む２つの護岸工事で現場試行を実施した。
3.1 工事概要及び試行条件① 工事の概要は表-1 のとおり
② ＴＳを用いた出来形管理に係る作業及び従来施工の現地作業は共同研究者が実施③ 護岸工に対応した出来形管理用ＴＳソフトウ
ェアは存在しないため，エクセルで別途算出（作
業時間については，ソフトウェアが存在するものと仮定）④ 施工延長によらず３測点分の延べ作業時間（人・分）で比較（ＴＳでの測定も３測点）
表-1
工事名
平成 25 年度庄内川大留護岸工事（庄内川河川事務所）
平成 24 年度庄内川中志段味舟場護岸工事（庄内川河川事務所）

試行工事の概要

工事概要
施工延長:190m
工期:H25.5.18～
H26.3.20
施工延長:811m
工期:H25.2.21～
H26.3.20

このうち，ＴＳの場合は⑤・⑩を除いて現地で実際に作業を実施して作業時間を測定した。従来施工の場合は，①・④・⑤・⑥・⑨・⑩を除いて，現地作業の作業時間の実測結果に基づくものである。作業時間の実測をしていないものは，施工者に対する作業時間のヒアリング調査から算出した。
(2) 作業時間の比較結果
従来施工とＴＳによる作業時間の比較結果は，
大留護岸工事が図-4，中志段味舟場護岸工事が図-5 のとおりである。なお，大留護岸工事については，本来河川土工に関する出来形管理を行わない工事であるが，比較のため，護岸工の計測に係る作業時間（②・③）の現地実測結果から河川土工での作業時間を推定した。結果としては，両工事
ともトータルの作業時間が縮減するという結果が得られ，特に中志段味舟場護岸工事では，379（人・分）が 327（人・分）と約 1.4 割作業時間が縮減した。

備考
施工管理の有無
河川土工：無護岸工 ：有施工管理の有無
河川土工：有護岸工 ：有185

3.2 時間短縮効果の検証(1) 検証する作業項目について
河川土工及び護岸工における内業から出来形計
測に要する作業時間・人員を記録する。すべてを従来手法で行った場合とすべてをＴＳを用いた出来型管理を適用した場合で比較した。比較対象とする作業の流れの詳細は図-3 のとおりである。

図-4

175

大留護岸工事における作業時間比較

379
327

図-5

図-3

作業時間を比較する作業項目

中志段味舟場護岸工事における作業時間比較

この理由として考えられるのは，⑥に相当する
基本設計データ作成作業の効率化である。護岸工
単独でＴＳを用いた出来形管理を行う場合に入力が必要となる「平面線形」，「縦断線形」の情報について，河川土工で入力したデータをそのまま流用できるためである。実際に今回の試行でも，流用が可能であることが確認できた。
両工事とも，河川土工だけではＴＳを用いた出- 34 -

来形管理の方が時間を要しているが，これはわずか３断面での比較結果であるためと考えられる。
逆に言えば，管理断面の少ない小規模な現場の場
合でも，ＴＳを用いた出来形管理を護岸工と導入すればトータルでの効率化が期待できることの証左とも言える。
3.3 計測精度の検証(1) 検証する測定項目について
基準高と法長については，土工のＴＳ出来形管理で従来手法と同程度の精度は確立しているので
2)，厚さについて検証の対象とした。ＴＳによる厚みの算出結果を従来の厚さの測定手法である水糸下がり計測結果と比較することとした。ＴＳでの計測箇所は，大留護岸工事では法枠ブロック表面の法尻側（写真-1 左），及び法肩側を計測点とし，中志段味舟場護岸工事では，調整コンクリート表
面の法尻側（写真-1 右），及び法肩側を計測点とした。また，土工面の高さを算出するため，同じ箇所を施工前にも計測した。

(3) 誤差要因の考察
ＴＳと従来手法の計測結果の差異が最大 22mmとなった大留護岸工事の測点 No.3 について，その要因を考察する。大留護岸工事における従来施工の厚み計測結果ついて設計値との比較を行ったものが図-7 であり，設計値よりも厚めに施工されていることがわかる。なお，基準高を計測したもの
が図-8 であるが概ね＋5mm 程度に収まっている。
そこで推察出来るのは，特に下がり計測をした箇所について，図-9 のように土工面の仕上がりが低かったということである。

図-7

写真-1

従来手法の厚み計測結果と設計値の比較

ＴＳによる計測点（法尻側）(2) 計測結果の比較ＴＳによる厚みの算出結果を，従来の厚さの測定手法である水糸下がり計測結果と比較したのが以下の図-6 である。

図-6

図-8

計測結果比較

図-9

ＴＳそのものの計測誤差が 5mm 程度であるので，２面間の距離で算出する厚さの誤差は 10mm程度に収まることが望ましい。しかし，結果としては概ね 10mm 以内に収まるものの最大 22mm の差異も見受けられた。

基準高と設計値の比較

大留護岸工事測点No.3の横断模式図

本試行では，ＴＳの計測点と下がり計測の箇所を必ずしも一致させていなかったため，計測箇所
間の土工面の高さの差が，ＴＳによる計測と従来手法による計測の差にそのまま表れたことが推察される。

- 35 -

４．基本設計データの作成手法
ＴＳを用いた出来形管理では，設計形状を３次元データ化した「基本設計データ」を作成する必要があり，護岸工への適用にあたって３次元デー
タの作成手法を考案した。
4.1 標準的なデータ作成の流れ
護岸工の基本設計データ作成にあたっては，中心線形は，河川土工で作成する築堤法線や測量法
線の線形データを活用し，横断形状は，河川土工の横断形状を活用する。護岸工で追加される基本
設計データは，図-10 のとおり，土工面上の裏込表面，すなわち護岸の下面の横断形状，護岸上面の横断形状となり，それらを順次作成する。
築堤工事では，土工面の沈下による影響を考慮し，実際の出来形を反映した基本設計データの作成も考えられる。しかし，施工者へのヒアリングによると，従来の護岸工の丁張計算では当初の設計の高さを用い，施工で沈下分を高めに盛土することで対応していることから，護岸工のデータ作成においても土工と同様に，設計値をもとに作成する。

慮した規格値とすることが必要である。

図-11勾配を考慮した高さの規格値の考え方

以上より，厚みを高さで管理する場合の規格値について以下の図-12 のとおりとすることを提案したい。

測量法線（築堤法線）

護岸上面（設計）
護岸下面（設計）
土工面（設計）
ブロック張

裏込
横断形状

図-10

土工

発注図書（ある
いは施工承諾
図）に従った横断形状を作成図-12

護岸工の基本設計データの標準的な作成方法

4.2 厚みを高さで管理する手法の提案
丁張計算を当初設計どおりに行っているのであれば，各層の厚さではなく表面の絶対的な高さを管理項目としても，施工の手法上ほとんど違いはなく，その上，厚さ確認のための水糸下がりによる計測や写真管理が省略でき，現場計測がより効率化することが期待される。
本手法では計測作業性を考慮し，計測点は設計として作成した護岸上面あるいは裏込上面の任意位置とする。出来形計測点と対応する基本設計データの面の標高の差分により出来形を評価することになる。
この場合，施工管理基準として新たに高さの規格値を定める必要がある。従来手法の管理基準では，法面に垂直な方向の厚さの規格値が-50mm 以上であるので 1)，高さで同じ値を採用すると過剰に薄くなる危険があるため，図-11 のとおり勾配を考

高さで管理する場合の測定箇所と規格値

５．おわりに本稿では，ＴＳを用いた出来形管理の護岸工への適応拡大の可能性とそれによる省力化の可能性について論じた。今回試行の対象としたのは，ブロック張護岸と一部工種に留まる。国土技術総合研究所では，さらなる現場試行を通じて，同じ護岸工の別工種への適用拡大や，道路土工に係わる類似工種（土留・擁壁工）への適用拡大についてもその可能性を明らかにした上で，順次実用化につなげていきたいと考える。
参考文献
1) 国土交通省：土木工事施工管理基準及び規格値（案）平成23年
2) 国土交通省：ＴＳを用いた出来形管理要領（土工編）平

- 36 -

成24年

10．シームレス補正機能を備えた転圧管理システム「GNSS 情報遮断時の慣性/TS 補正切り替えシステムの開発」
鹿島道路(株)機械部（株）トライテック

１．はじめに転圧管理システムとは，トータルステーション（以下 TS）あるいは全地球測位システム（以下GNSS）を用いて締固め機械の位置情報をリアルタイムに記録し，舗装体の品質を締固め回数で面的管理することで，舗装品質の均一化を図るシステ
ムである。
従来の当社転圧管理システムは，GNSS のみを用いた仕様であった。通常，GNSS 転圧管理シス
テムを天空に遮蔽物のある現場条件のもと（高架下やカルバート等）で使用すると，遮蔽物付近にて精度を確保するための十分な衛星数が捕捉出来ないため，衛星の配置状況が 1 方向に偏ってしまう等の不具合が生じる。精度確保に必要な衛星数が捕捉出来ない状態であれば，転圧情報が記録されず，1 方向に偏っている状態であれば，データに誤差が発生してしまう事が懸念される。そのため，転圧管理システムを使用するには，衛星からの信号を受信できる条件下である必要があり，天空が開けていない場所では使用できなかった。また，高層ビル等，周囲に反射物がある場合，衛星からの信号を反射させてしまい，信号が届くまでの時間差で位置情報がズレてしまうマルチパスという現象が起こってしまう。
本報は上記の不具合を解消するために開発した
シームレス補正機能を備えた転圧管理システムについて紹介するものである。
2．転圧管理システムによる品質管理
転圧管理システムとは，従来の砂置換法や RI 計測法による代表点の管理に代えて，あらかじめ締
固め回数と密度の相関を調査した上で，TS や
GNSS から得られる締固め機械の位置情報をリア
ルタイムに表示・記録し面的管理する手法である（図-1）。締固め機械の軌跡や転圧回数が色分けし○ 伊藤 圭祐
梶原 泰樹てモニタ画面に表示され，リアルタイムに転圧状況を確認できるため，オペレータの作業負担や転圧ムラの軽減が期待できる。当社転圧管理システ
ムの表示画面例を写真 1 に示す。
点による管理面的管理

砂置換法・RI 計測法

転圧管理システム

図-1

品質管理手法

転圧管理記録表示画面
写真-1

転圧管理設定項

転圧管理記録表示画面

3．GNSS 転圧管理システムの機器構成
転圧管理システムに GNSS を用いる場合は測位精度を確保するために，RTK-GNSS（干渉測位方式）と VRS-RTK（仮想基準点方式）の 2 つの衛星
測位方式の何れかを採用しており，現場状況に応じて使い分けが可能である。
3.1 RTK-GNSS
RTK-GNSS は測位の対象となる移動局（締固め機械）の近くで，座標位置のわかった場所に基地局を設置する。そして，GNSS 衛星からの信号を
移動局と基地局とで同時に受信し，基地局から移- 37 -

動局へ補正データを無線で送信することにより，
国土地理院
移動局の測位精度を向上させるシステムである
電子基準点
電子基準点データ配信（水平誤差約±15mm）。
RTK-GNSS の当社転圧管理システム機器構成を
位置情報
写真 2 に示す。移動局は，転圧状況を表示・記録するための車載 PC，レシーバユニット（GNSS 受
信機及び，基地局からの補正データを受信するた
補正データ
配信局
移動局
めの無線受信器），GNSS アンテナで構成される。
基地局は GNSS 受信機，補正データを送信する無仮想基準点
線送信機，GNSS アンテナで構成される。移動局
電子
基準と基地局との最大距離は使用する無線出力の到達
電子基準点
距離に左右される。また，基地局からの無線出力
図-2 VRS-RTK 概念図
範囲内であれば，複数台の移動局の同時稼働が可ータを取得できる。VRS-RTK の当社転圧管理シス能である。
テム機器構成を写真 3 に示す。
VRS-RTK は，基地局の設置が必要ないため現場
車載 PC
GNSS アンテナ
装置の簡略化ができるうえに，RTK-GNSS と同等
GNSS アンテナ
無線送信機の精度を得られることから利用される機会が増えている。なお，携帯通信端末を用いて配信局のデータを入手するため，携帯電話通信費と配信デー
タ費が発生する。また，携帯電話の通信エリア内
でなければデータを取得することができないので利用する際には注意が必要である。
基地局

移動局

車載 PC
GNSS アンテナ

GNSS 受信機

レシーバユニット

無線受信機

GNSS 受信機
レシーバユニット

写真-2

RTK-GNSS 機器構成

3.2 VRS-RTK
VRS-RTK は無線受信機の代わりに，仮想基準点
補正データを受信するための携帯通信端末が組み込まれており，現場内に基地局を設置する必要がない。
図 2 に示すように，まず移動局で単独測位を行い，携帯通信端末を介して位置情報を配信局へと送信する。同時に電子基準点（国土地理院が日本全国に設置しているもので 1,300 点ほどある）デー
タを配信局で受信し整理を行う。配信局は送られてきた位置情報と 3 点以上の電子基準点観測デー
タを元に移動局付近に仮想基準点（仮想の基地局）を構築する。これによって，あたかも移動局の近
くに仮想の基地局があるかのように補正デ

写真-3

VRS-RTK 機器構成

4．現場事例
ここで紹介するのはシームレス補正機能を備えていない転圧管理システムを適用した現場であり，シームレス補正機能を備えた転圧管理システムを開発する背景となったため，ここに紹介する。
4.1 ダム・ため池舗装工事
写真 4 はダム・ため池舗装工事に RTK-GNSS 転
圧管理システムを用いた際のものである。施工現
場は携帯電話の受信が安定しないエリアであった- 38 -

ため，RTK-GNSS 方式を採用した。通常，ダム・ため池舗装工事の品質管理において砂置換法のようなコア抜きを行う方法では水漏れなどの恐れがあるため，工法規定方式に基づいて品質管理を行う。工法規定方式とは盛土の締固めに関する規定
方式の一つで，事前の試験施工により決められた回数を転圧し品質管理を行うものである。転圧管理システムは広大なフィールドにおいて，転圧回数の管理・記録に大いに役立った。

写真-4

ダム・ため池舗装工事例

4.2 高速道路ジャンクション舗装工事
写真 5 は高速道路ジャンクション舗装工事に
VRS-RTK 転圧管理システムを用いた際のものである。図 3 は実際に現場で記録した転圧管理シ

写真-5

ステムの表示画面である。○印で囲んだ部分ではカルバートの転圧作業のため，衛星からの信号が遮断され，実際の締固め機械の軌道から大きく逸脱
した転圧記録結果となった。これは衛星を用いるシステムでは避けることのできない問題であり，現場状況をあらかじめ把握しておく必要がある。
5．追加機能従来の当社転圧管理システムは GNSS のみの対応であったため，現場条件によっては使用可能範囲が制限されてしまう場合もあった。そこで，新たに TS と慣性センサをシステムに追加し従来の不具合を解消した転圧管理システムを開発した。
5.1 TS 転圧管理システム
TS を用いて締固め機械の位置情報を取得することにより，記録，表示，管理するシステムが TS 転
圧管理システムである。TS 転圧管理システムの概要を以下に示す。
現場内に設置された自動追尾式 TS は既知点を視準する事によって，現場のローカル座標系を認識する。この状態で締固め機械に取り付けたプリ
ズムを自動追尾し，プリズム座標を取得する。移動局は，TS から現在の座標を無線データ通信により連続的に受信し，転圧軌跡を記録するという機構である。TS の設置位置は使用する場所の選定と現場内の構造物等で追尾が遮られない位置を確認する必要がある。また，GNSS 転圧管理システム
は複数台の同時使用が可能だが，TS 転圧管理シス
テムは TS1 台に対し，移動局 1 台の組み合わせとなる 。TS 転圧管理システムの機器構成は，従来の転圧管理機器に加え，TS からの位置情報を受け取るための無線機，TS が移動局の位置を補足する
ためのプリズムで構成される。機器の構成を写真 6
に示す。
プリズム

高速道路ジャンクション工事例

TS

無線機
図-3

転圧管理状況画面

写真-6- 39 -

TS 転圧管理システム機器構成

5.2 慣性センサ
慣性センサを追加した転圧管理システムはGNSS や TS での転圧管理を行う際の補助的な物であり，慣性センサのみで全施工区間を管理するものではない。慣性センサは 1 台の締固め機械に対して 2 種類必要となる。1 つ目は，締固め機械の移動距離を計測するものである。2 つ目は締固め機械の推進角を計測しシステム上での進行方向を定めるものである。慣性センサの取り付け例を写真 7，
写真 8 に示す。

れの位置情報とも取得できなかった場合は，慣性センサからのデータに自動的に切り替わる。トンネルを抜けて再度 GNSS の測位精度レベルが確保された時点で GNSS に自動的に切り替わり位置情報の測定が継続的に行われる。これにより，シームレスな転圧軌跡や転圧回数の記録が可能となる。
現場条件により①～⑥の組み合わせを選択する。
以下の図 4 にシステムのイメージ図を，写真 9 に試験状況をあげる。
GNSS

電波遮断

写真-7

慣性センサ機器構成

写真-8

慣性センサ機器構成

電波遮断

トンネル部

カルバート部

明り部

TS による補正

センサ補正

VRS／RTK

図-4

システムイメージ図

6．シームレス補正機能とは
シームレスとは「継ぎ目の無い」という意味で
写真-9 試験状況写真ある。ここで挙げるシームレス補正機能とは，複7．おわりに数の測位技術（相対測位技術を含む）を組み合わ
本報では，GNSS の他に TS，慣性センサを使用せることにより締固め機械の位置情報を途切れるして「シームレス補正機能」を盛り込んだ転圧管
ことなく捕捉，記録することが出来る機能のこと
理システムの紹介を行った。現場で GNSS 転圧管である。本機能と従来の GNSS 転圧管理システム
理を行う上で問題となっていたカルバートや切土を組み合わせることで，より多くの現場での活用等の地形に対応した機器の調整やソフトウェアのを目指した。選択可能なシステムの組み合わせを改善などを図ってきた。それにより，様々な現場
以下に示す。
条件に対応できるシステムになったと確信してい①GNSS+TS+慣性センサ②GNSS+TS
る。今後は新システムの普及に努めると共に，使③GNSS+慣性センサ④TS+慣性センサ
いやすいシステムにしていきたいと思う。
⑤GNSS 単体使用
⑥TS 単体使用①の GNSS+TS+慣性センサを例に説明をすると，参考文献
通常時は GNSS にて締固め機械の位置情報の取得 （1）国土交通省情報化施工推進戦略（2008 年 7 月）：を行い，トンネルへの進入等の現場条件により http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/kensetsusekou/kondankai/IC
GNSS からの測位精度レベルが低下した時点で， Tsekou/sennryaku.pdf （2012 年 10 月時点）
自動的に TS による計測に切り替わる。仮に，GNSS （2）㈱ジェノバ：カタログ「JENOBA 方式によるネット
ワーク型 RTK-GPS 配信サービス」
からの測位精度レベルが低下した状態で，かつ，（3）鹿島道路（株）大竹元志： 「折返し指示機構を搭載
TS の追尾が他の重機などに遮られる等により，何 した GNSS 転圧管理システム」，舗装（2012 年 9 月）

- 40 -

12．ＭＣ施工を前提とした出来形計測（計測許容範囲拡大）
手法の効果検証
国土交通省関東地方整備局○ 山本 啓介
国土交通省関東地方整備局
二瓶 正康（一社）日本建設機械施工協会
竹本 憲充

メリットが活かしきれていないのが現状である。
１．はじめに
本稿では、MC 等の施工特性と出来形管理用 TS
国土交通省では、建設施工の生産性向上、品質確保、安全性向上、熟練労働者不足への対応など、 の機能に着目し、MC 等を導入した現場における従建設施工が直面している諸課題に対応する ICT 施 来の出来形管理手法の簡素化・省力化を目的とし工技術（情報化施工）の普及を進めているところ た新たな出来形管理手法の効果を検証した結果について報告する。
である。
関東地方整備局では、情報化施工の一つである
トータルステーション（以下、TS という。）の活用 ２．情報化施工の活用状況
拡大として舗装工事への導入及び普及を図るため、 平成 25 年度までの全国での情報化施工活用件数
地整版の要領策定に取組み平成 21 年 8 月「施工管 を図-1 に示す。
平成 25 年度の情報化施工技術別の活用回数は、
理データを搭載したトータルステーション(TS)をTS
出来形が 789 回となっている。
TS 出来形のうち、用いた出来形管理要領（案）」【舗装工事編】を公表した、平成 24 年には同要領を元に本省より「Ｔ 使用原則化となった TS 出来形（10,000m3 以上の土Ｓを用いた出来形管理要領（舗装工事編）」が通知 工）の活用回数は 552 回と伸びているが、それ以されるなど情報化施工技術の活用拡大に向けた取 外の一般化推進技術等については、MC 技術(モータ
グレーダ)が 121 回、MC/MG 技術(ブルドーザ(3D))
組を推進しているところである。
が 56 回、MG 技術(ブルドーザ(2D))が 15 回、MG 技
近年の舗装工事において情報化施工の普及は進術（バックホウ(3D)）が 78 回、MG 技術（バックホみ、モータグレーダ等の施工機械のマシンコント
ウ(2D)）が 36 回、TS・GNSS 締固めが 140 回といまロール（以下、「MC」）による施工も普及してきてだに活用が少ない状況であり、本稿ではその対応いる。
として活用の環境整備に着目している。
しかし、ICT を活用した施工においても、既存の施工管理基準に準じ、丁張り等による管理断面毎での定点管理を行っていることから、ICT の導入

図-1 情報化施工技術の活用件数- 41 -

３．新たな出来形管理手法の検討
3.1 出来形管理手法の効率化（案）MC では、施工中の排土板の位置・標高をリアル
タイムに取得するとともに、施工用データ（設計データ）との差分を算出し、これに基づき排土板を設計形状に沿うように自動制御する。MC を使用した場合、管理断面以外の区間においても管理断面と同等の出来形品質を実現することができる｡
また､出来形管理用 TS では任意箇所で出来形の座標を取得することができ、これらの技術を併用する場合、出来形管理箇所を管理断面上に定めなくても設計と出来形との差を適切に確認することが可能と考えられる。
◇現状の課題土木工事施工管理基準及び規格値に示される土工、路盤工の出来形管理基準では、道路延長方向に 40m 毎に定められた管理断面上で、法肩・法尻・
道路中心の基準高、幅、及び法長（土工のみ）を計測、管理することが求められている。そのため、
出来形管理時に管理断面を示す丁張の設置が必要となっている。MC による施工では、丁張り設置箇
所数を大幅に低減できるにもかかわらず、施工後の出来形管理や監督検査のためだけに丁張りが設置されるという非効率が生じている。
◇普及に向けた環境整備
出来形計測の効率化に向けて、施工管理、出来
形計測の効率化（出来形管理箇所数の低減、出来
形計測手間の減少）に向け検討を行った。
なお、図-2 に新たな出来形管理運用(案)の①近
傍点管理、②代表点管理のイメージを示す。

した設計上の座標値を用い基準高を管理する、併せてこの計測座標値を用いて、道路左右端部の 2
カ所の点間距離から幅を算出する。
出来形比較の対象寸法は計測点に対応した設計
上の点を用いて算出した数値となり、管理断面の数値とは異なってくる。また同様に法肩・法尻でも計測範囲認め取得した座標の点間距離から法長を算出、管理する手法である。
図-3、図-4 に幅および法長についての、近傍点
計測のイメージを示す。同図に示すように、管理断面から一定距離の範囲内（道路左右端点）で計測した 3 次元座標を用いて計算した斜距離を幅として管理する。

図-3 近傍点管理による幅の計測イメージ

図-4 近傍点管理による法長の計測イメージ

図-2

MC 施工を前提とした施工管理効率化のイメージ①現行手法に対し、管理断面上の位置からズレを許容する方法（近傍点管理）◇概要
管理断面に対して延長方向に一定距離の計測範
囲を認めるもので、道路であれば中心点近傍、左右端部の 3 次元座標を計測し、その計測点に対応◇メリット
・現行の定点管理と比較して、計測点のずれが大幅に許容されるため、逆打ち等による計測点の位置出し作業時間が短縮される。丁張り管理も軽減
され出来形計測の準備作業が大幅に軽減される。
現行の「土木工事施工管理基準および規格値（国土交通省各地方整備局）」（以下、現行基準という。）
を変更するのではないため計測時の運用通知により実現が可能である。
◆デメリット・現行の出来形管理用 TS のフィールドソフトは幅・法長において斜距離算出に対応していない他、- 42 -

帳票も従来と若干異なるため、ソフトウェアの改
良や仕様変更が必要となる。

ォーマット.データ構造の標準化を求めるのか対
応調整に一定の期間が必要と想定される。

②管理断面位置にかかわらず、任意の点で三次元座標を計測し出来形管理する方法（代表点管理）◇概要
出来形管理点を管理断面上または管理断面付近に定めるのではなく、まったく任意の位置で計測・管理する手法である。
MC 等により施工した現場においては、活用区間
全面において施工用の機械位置データを計測している。
また、施工全面で管理断面と同等の出来形品質を有することが可能であるから、施工機械の位置
データや制御記録等を品質保証のデータとして提出することで、出来形管理を任意の箇所において設定し、また現行よりも計測頻度を軽減することが可能と考えられる。
図-5 に代表点管理のイメージを示す。幅や法長等の形状数値ではなく、計測した座標値とその計測点に対応した設計上の座標値との離れで出来形管理をするものであり、現行基準とは異なる。

3.2 近傍点管理、代表点管理の取組実施上の課題
近傍点管理は、計測頻度、出来形管理項目、規格値が現行と同じであるから、現行基準の変更を必要としないため、TS 出来形管理の運用ルールの拡張として比較的容易に導入が可能である。これに対し、代表点管理は民間企業の任意施工ツール
である MC 等のシステムへの修正対応が想定される。
また施工機械位置データの評価、有効性の検討を踏まえ提出に関わるルールの策定と座標値を用いた出来形管理基準・規格値として現行基準の変更が必要となるため、変更の妥当性については十分な検討が必要である。
以上の整理結果から、代表点管理は継続的に検討し、まず近傍点手法による試行実証を行い、効果の確認を行うこととした。

図-5 代表点管理による計測イメージ◇メリット
・出来形計測時に、管理断面の逆打ち・位置出しが不要になるため、出来形計測の準備作業が大幅に軽減される。
・出来形計測点数が削減されるため、出来形計測
時間が大幅に短縮する。
・監督職員が決めた任意の箇所で出来形を実測・確認できこれまで出来形比較出来なかった箇所で出来形の良否を確認出来る。
◆デメリット・出来形管理用 TS のフィールドソフトの変更開発（計測・記録・帳票作成等）が必要となる。
・現行基準には、座標値を用いた出来形管理が存在しないため、全く新しい基準として計測頻度・規格値等を設定する必要がある。
・施工時の機械位置データ等を施工保証として提出いただく場合、システム上そもそもデータが保存されているか、提出が可能であるのか、そのフ

3.3

ＭＣ(又はＭＧ)施工における出来形管理運用(試行案)の概要(1)適用工種
適用工種は下記の 2 工種とし、「TS を用いた出来
形管理要領（土工編）」、「同（舗装工事編）」を使用する工事に適用することとした。
①土工（掘削工、盛土工）
・管理項目は、基準高、法長、幅とする。
・延長方向の測定基準で示される測定間隔は「概ね」とし、管理断面から前後 1m 程度の測定許容範囲を設ける。
・施工起終点においては、許容範囲を設けないこととし、測定頻度は通常の測定間隔で実施する場
合と同数以上を測定する。
②舗装工
・管理項目は、基準高、厚さ・幅（活用する場合）とする。
・延長方向の測定基準で示される測定間隔は「概ね」とし、施工延長方向に管理断面から前後 1m 程
度の測定許容範囲を設ける。
・道路中心線上での測定においては、中心線直上に拘わらず中心線に対して横断方向で概ね 1m の測定許容範囲を設ける。
・施工起終点においては、許容範囲を設けないこととし、測定頻度は通常の測定間隔で実施する場
合と同数以上を測定する。
(2)規格値
近傍点管理では、基準高、幅、法長ともに管理項目に変更が無いことから、管理規格値について
も現行基準どおりとした。

- 43 -

４．試行工事における効果の検証
試行工事における効果検証に向けての作業フローは以下のとおりとした。

図-8 工事範囲、計測箇所等の概要図

MC ｸﾞﾚｰﾀﾞ

図-7 作業フロー
4.1 試行現場概要
GNSS を用いた締固め回近傍点管理の効果検証を実現場において実施し数管理システム
た。対象工事の概要を以下に示し、工事範囲、施工状況を図-8、図-9、図-10 に示す。
図-9 施工状況
・工事名 新 4 号古河地区道路改良(その 3)工事・場所
茨城県古河市高野地先～葛生地先
・工期
H25.4.28～H26.3.31
・発注者 国土交通省関東地方整備局
宇都宮国道事務所
・工事内容
工事延長 L=250m(No.449～485)
土工 掘削約 16,000m3、路体盛土約 17,000m3、路床盛土約 12,000m3
MC ｸﾞﾚｰﾀﾞ
舗装工 約 4,000m2
・施工手段として使用した情報化施工技術【道路土工】
1) 路体盛土の敷均し・締固め→締固め作業に「GNSS を用いた締固め回数管
図-10 下層路盤の敷均し状況(MC グレーダ)理システムを使用」
2) 路床盛土の敷均し・締固め
4.2 検証結果→締固め作業に「GNSS を用いた締固め回数管
試行工事における効果の検証の項目として着目
理システムを使用」
した、施工管理の省力化(出来形管理手法の簡素
3) 路体・路床の法面整形化・省力化)について以下に述べる。
→法面整形作業に「MG バックホウ」を使用【路盤工】
1) グレーダを用いた路床整正→路床整正作業に「MC グレーダ」を使用
2) グレーダを用いた上層路盤・下層路盤の敷均
し・締固め→敷均し作業に「MC グレーダ」を使用→締固め作業に「GNSS を用いた締固め回数管理システム」を使用
・試行箇所
試行実施日 H25.11.8(路床)、29(下層路盤)
試行区間 No.466～470 の 5 断面
図-11 下層路盤の出来形計測状況- 44 -

図-14 は、実際に出来形計測を行った点の位置(1)出来形計測作業の検証
出来形計測点（定点）からのズレの許容値を 10cm (x,y)における設計高さを三次元設計データから
から 1.5m まで変化させた場合の出来形計測にかか 求め、対する基準高を算出したものである。
1m 程度まで許容値が大きい場合でも出来形管理
る作業時間を比較した結果を図-12 に示す。
点（定点）の場合とバラツキは変わらない。
路床 6 断面、下層路盤 6 断面の計 12 断面(各段
面 3 点、計 36 点)の出来形計測作業にかかる作業時間を平均したもので、現行の出来形管理点(定点)の 1cm 以内と比べ 1m 以内のズレを許容した場
合は、約 50％の出来形計測時間の低減が図られた。

計測時間

図-14

ズレの許容値

出来形計測点との平面位置のズレと基準高との関係（実際の計測点での比較）

図-12 出来形計測点の平面位置のズレの許容値と計測時間

図-15 は、管理断面上と 1m 以内のズレを許容した断面で基準高について計測した結果を比較したものである。
(2)出来形計測精度の検証
出来形計測点（定点）からのズレを許容した際 最大で 3.5cm の差異が生じたが、その他の断面での定点管理として比較して出来形計測結果の差異 の誤差は 2cm 以下であった。基準高については、について、検証結果を図-13、14、15、16 に示す。 出来形計測点（定点）からのズレを 1m 許容しても、現行管理とほぼ同等の結果を得た。
①基準高さ
図-13 は、出来形管理点（定点）での設計高さを用いて基準高を算出したものである。
定点付近では±0.03m の範囲にあるが、平面位置でのズレの許容を大きくすると、±0.05m とバラツキが大きくなる。

図-15 管理断面上と管理断面+1m の断面で計測した基準高の比較

図-13 出来形計測点との平面位置のズレと基準高との関係（管理断面上の設計
標高に対する基準高）②幅
図-16 は、管理断面上と 1m 以内のズレを許容した断面で幅について計測した結果を比較したものである。最大で 9cm の差異が生じたが、その他の断面での誤差は 4cm 以下であった。現行の幅の規
格値が-100cm(土工の場合)であることを考えると、この差は僅かであると見なせる。

- 45 -

よって、幅についても出来形計測点（定点）からのズレを 1m 許容しても、現行管理とほぼ同等の結果を得た。

来形管理が適用外となっている。これは密度確認のための掘り起こしやコア抜きが無くならないた
め、計測手間の効率化が期待できないことによるものである。しかし、近年では非破壊での密度計測技術も存在し今後新たな品質確認の技術として定着していくことも想定される。
現在、TS を用いた厚さ計測の活用増大に備えた
近傍計測の座標値を用いた厚さ管理手法も準備しており、今後検証を行っていく予定である。

７．おわりに国土交通省では、平成20年2月に「情報化施工推進会議」を設置して以来、情報化施工の本格導入を目指し、年々試験施工の実施件数を増やしてきたところであるが、MC等については活用が伸びて
図-16 管理断面上と管理断面+1m の断面いない状況である。
で計測した幅の比較
その中で、平成25年3月29日に策定された、新たな「情報化施工推進戦略」においては、平成25年
５．まとめ
今回の検証も含めた MC 施工を前提とした出来形 度からの5年間に大きな柱として推進する目標と計測（計測許容範囲拡大）手法の効果を以下に示 その達成に向けて取り組む項目として、5つの重点目標と10の取り組みが設定され、その取組は、情す。
①出来形管理で必要な管理断面位置を示す丁張 報化施工を「活かす」ための目標や取組みを設けている。
り設置が不要。
重点目標の一つである、「情報化施工に関連す②出来形計測箇所を管理断面の近傍±1m の範囲に許容することで、基準高、幅の出来形作業が約 るデータの利活用」は、情報化施工の効果がより一層得られるよう情報化施工の特性を踏まえた、50％低減。
③出来形計測精度については、従来手法と同等。 従来の手法に代わる施工管理、監督・検査の実現と設計や維持管理に関する技術基準の見直しを目指すことが明示され、本検討についても、従来の６．今後の方針
管理基準にとらわれず、情報化施工技術の機能を(1)今後の運用（案）のスケジュール
今回の検証は 1 工事の結果ではあるが、出来形 活かせるような新たな管理手法として本格運用として実現することにより、活用拡大が進むことを
管理の簡素化、省力化が向上する結果が見えた。
今年度は、運用（案）に基づき実施する複数の 期待したい。
試行工事において、本報告と同様の効果が得られ参考文献ることを検証するとともに、監督職員、施工者等
1) 坂本鋼三：「ＭＣ施工を前提とした情報化施工技術の新の幅広い意見聴取を行っていく。
たな施工管理への展開」，平成２５年度建設施工と建設
今後は、他地整での試行工事での検証や、運用
機械シンポジウム論文集，pp.107～110, 2013
（案）に適合する「TS を用いた出来形管理用ソフ
トウェア」について提供の協力を頂きながら、運 2) 竹本憲充：「ＭＣ等の施工現場を対象としたトータルス
テーションを用いた出来形管理」，建設機械施工，Vol66
用（案）を全国で活用を図っていく。
，pp.79～81, 2014.4(2)ＴＳ出来形管理ソフト（試行版）
近傍点管理については、現行の出来形管理用Ｔ
Ｓの機能を別ソフトウェアにて補間することで、出来形管理が可能となる。
現在、関係者とソフトウェアの対応について協議中であり、試行結果を踏まえて近傍点管理のために必要となる付加機能を精査し、出来形管理様
ＴＳの機能要求仕様書に反映していくことを検討する必要がある。
(3)厚さ算出への取組
道路工事において、新設工事では TS を用いた出- 46 -

13．効果的な除雪を行うための除雪車位置情報を活用した
除雪施工の検証(独)土木研究所 寒地土木研究所 ○小宮山 一 重(独)土木研究所 寒地土木研究所
大 槻 敏 行(独)土木研究所 寒地土木研究所
佐 藤 信 吾１．はじめに日本は国土の約 50%(24 道府県 532 市町村)が豪雪地帯及び特別豪雪地帯に指定されている 1)。これらの地域において，道路の降雪は日常的であり，雪の影響により渋滞が発生する等，道路交通への影響が大きい。また，鉄道の廃止により生活が100%自動車輸送に依存している地域では，道路交通は重要な生命線となっている。このことから，良好な路面管理及び異常気象時における迅速な除雪に対する住民ニーズは高い。
除雪を効果的に行うためには，実施された除雪の施工状況を検証し，改善点等を見いだし，除雪計画へ反映する必要がある。

区間と連携して除雪を行うことで除雪作業時間が短縮され，除雪作業の遅延による道路交通への影
響を抑えられる可能性があることを確認した。
２．除雪作業の背景
道路の除雪は，道路管理者が管轄路線を分割して工区を設定(以下，除雪工区)し，除雪工区毎に除雪工事受注業者(以下，除雪業者)を割り当てて除雪作業を行っている。また，それぞれの除雪工区に配置されている除雪車は，主に数台の車両で梯団(ていだん)を編成し，雁行体制で除雪作業を行なっている(図-2)。

図-2

図-１

豪雪地帯及び特別豪雪地帯指定地域１)

近年，ICT の発展に伴い車両の位置情報は様々な用途に活用されており，除雪事業においても地図上での除雪車位置の把握や作業時間の管理等に活用されている事例がある。
本稿では，除雪の施工状況を検証するため，除雪車の位置情報を活用し，時間経過に伴う除雪車の動態を可視化した。そして，隣接する除雪区間の除雪作業において，一方の除雪区間で除雪作業が遅延し，道路交通へ影響を与えていた可能性があるケースを抽出して検証した。その結果，隣接新雪除雪の組みあわせ施工形態の例 2)

除雪作業は，降雪状況に応じた最適なタイミン
グで除雪車が出動し，最適な梯団編成，除雪ルー
トで実施する必要がある。しかし，これらの判断
は主に道路管理者や除雪業者の経験を頼りに行われており，作業実態も定量的には把握されていな
い。また，除雪事業においては，オペレータの確保や育成について懸念されていることが，除雪業者からのアンケート調査で報告されている 3)。
このことからも，除雪作業を経験のみに拠らずに定量的に把握し，効果的な除雪施工の実施に反映させるための検証が必要である。
３．除雪機械等情報管理システム
北海道の国道を管理する国土交通省北海道開発局(以下，開発局)では，約 6,700km の冬期道路を管理(除雪，排雪，凍結路面対策)するため，除雪車を
約 1,000 台保有している。また，除雪車の位置情報- 47 -

区間 2

CP1

35
30

d

i

g

f

25

a

20
15
5

除雪ST (A)
CP2
CP3

h
c

除雪ST (B) /
区間1と2の境b

工区境 (A)0

12/23 8:00

12/23 7:00

12/23 6:00

12/23 5:00

図-4

12/23 4:00

除雪作業時刻４車線区間 KP1.9 - 22.1
８車線区間 KP0.9 - 1.9
中央分離帯区間 KP15.5 - 17.9
[CP 1] トンネル (A) KP37.4 - 38.5
[CP 2] 交差点 (A) KP28.6
工区境 (A) KP0.9
工区境 (B) KP45.6
速度凡例 (20km/h)
除雪グレーダ (A)
除雪グレーダ (B)
除雪グレーダ (C)
除雪グレーダ (D)12/23 3:00

12/23 2:00

12/23 1:00

12/23 0:00

12/22 23:00

12/22 22:00

12/22 21:00

12/22 20:00

12/22 19:00

12/22 18:00

作業情報等

40

10

所属管轄，機械種別，管理番号
時刻，作業内容(回送/待機/除雪)，作業装置の ON/OFF，作業地点(緯度・経度)，作業箇所(路線)，作業箇所(KP※1) ※2，作業
速度，進行方位(16 方位)，凍結防止剤散布情報(散布位置，散布量等)※1 KP(ｷﾛﾎﾟｽﾄ):道路距離標※2 作業箇所(KP):緯度・経度情報を基にシステムが演算

工区境 (B)e45

除雪機械等情報管理システムのデータ

所属情報等

速度凡例(20km/h)の斜線

50

区間 1

表-1

除雪車 1 台の動きを 1 本の線で表わすことで，時間経過に伴う梯団編成や除雪ルートの変化等，除雪施工状況を視覚的に把握することが可能となる。除雪作業グラフ作成例を図-4 に示す。

作業箇所（KP）

等の各種データ(表-1)を収集・管理するため，除雪機械等情報管理システム 4)(以下，システム)を導入している。
寒地土木研究所では，開発局と連携して，除雪車の到着時刻を予測するなど，除雪車の運用をマ
ネジメントするための機能を開発し，開発局のシステムに提供している。
システムによる除雪作業履歴の確認例を図-3 に示す。

４車線区間 KP28.2 - 29.6
中央分離帯区間 KP12.1 - 12.5
[CP 3] トンネル (B) KP24.8
除雪ST (A) KP30.4
除雪ST (B) / (区間１と２の境) KP19.6
除雪トラック (A)
除雪トラック (B)
除雪トラック (C)除雪作業グラフの作成例

図-4 に示した除雪作業グラフの作成例から確認できる除雪作業状況は以下のとおりである。
[ 区間 1 の除雪作業状況 ]・12 月 23 日 0 時頃，区間 1 を除雪するため，除雪
ST(B)から 3 台の除雪グレーダ(A,B,D)が梯団で出動している(図-4 の a)。
・出動後は，区間１内の除雪を行い，5 時頃に除雪
ST(B)に帰着している(図-4 の b)。
・この時の除雪作業速度は，速度凡例の斜線と比較
すると傾きが緩いため，ほとんどの区間で時速20km 以下で施工されたことが確認できる(図-4 のc)。
[
区間２の除雪作業状況]
図-3 除雪機械等情報管理システムを用いた
・12 月 22 日 20 時頃，区間 2 を除雪するため，除除雪作業履歴の確認例
雪 ST(A)から 2 台の除雪トラック(A，C)が出動し４．除雪施工状況の可視化ている(図-4 の d)。
・除雪トラック(A，C)の梯団は途中で分かれて別々除雪施工を検証するためには，梯団編成や除雪に作業している(図-4 の e)。その後は，再び合流
ルート等の変化を詳細に確認する必要がある。そして作業を行っている。
こで，開発局のシステムに蓄積されている除雪車 ・22 時 40 分頃，除雪トラック(A，C)は，除雪 ST(A)の作業箇所(KP)データを用いて，X 軸を除雪作業に帰着している(図-4 の f)。
時刻，Y 軸を作業箇所(KP)としたグラフ(以下，除 ・12 月 23 日 2 時頃，区間 2 を除雪するため，再び雪作業グラフ)にプロットし，除雪車の動態を可視
除雪 ST(A)から除雪車が出動している。
この時は，
化した。
除雪トラック(A,C)が上方向に，除雪トラック(B)
除雪作業グラフには，除雪ステーション(以下，と除雪グレーダ(C)が下方向に，2 台づつの梯団にST)，車線数，中央分離帯区間及び除雪車の転回頻
分かれている(図-4 の g)。
度が高い地点(CP: Control Point)を表す水平線を描
・6 時頃，除雪トラック(B)が区間 2 の応援に向い，画した。さらに，作業速度の目安となる時速 20km
区間 2 の梯団と合流し，3 台の梯団で除雪していの斜線を描画した。
る(図-4 の h)。

- 48 -

路(道央自動車道)の岩見沢 IC と接続しており，岩見沢市内へアクセスする主要路線である。この工区 の 延 長 は 37.3km(KP0 ～ KP37.3) あ り ，KP17.1(CP1)を境として担当除雪工区を区間 1 と区間 2 に分けて除雪作業を行っている。

・7 時頃，除雪トラック(A，C)と合流した除雪トラック(B)は，
除雪 ST(A)に帰着している(図-4 の i)。
このように，除雪車の位置情報を可視化することで，除雪車の梯団編成や除雪ルートの変化を容易に確認することが可能である。

工区境(A)

作業箇所（KP）

５．除雪施工の検証
除雪作業は通常，担当工区(区間)内のみを実施する。このため，局所的な大雪などの異常気象時には，隣接する除雪工区(区間)で除雪終了時刻に差が生じることがある。一つの路線として捉えると，除雪作業が遅延している区間は，道路交通へ影響を及ぼす恐れがあるため，除雪作業の遅延を防止する必要がある。
除雪作業の遅延を防止する対策の一つとして，隣接する除雪工区と連携して，除雪業者が担当する工区の境を変更する方法(工区シフト)がある。しかし，工区シフトを実施した効果の定量的な把握はできていない。
工区シフト実施の効果を定量的に示すため，大雪時に行われた除雪作業において，隣接除雪区間の除雪終了時刻に差があった事例について，工区
シフト実施効果をシミュレーションによって検証した。
5.1 工区概要
検証した除雪工区は，一般国道 234 号で高速道

区間１
CP1(区間境)

検証区間
除雪 ST(KP31.0)

区間２
工区境(B)
追分町 IC図-5

5.2 除雪作業状況
検証した日の除雪作業グラフを図-6 の上図に，
区間 1 と区間 2 の除雪作業終了時刻の差を表-2 に示す。なお，この時の直前の除雪作業終了後から
当該除雪作業終了までの降雪量は 37cm であった。

除雪ST
CP1（区間境）a
区間１b12/26 18:00

16:26

12/26 17:00

12/26 16:00

12/26 15:00

12/26 14:00

13:28

12/26 13:00

12/26 12:00

12/26 11:00

12/26 10:00

12/26 9:00

12/26 8:00

12/26 7:00

12/26 6:00

12/26 5:00

12/26 4:00

12/26 3:00

12/26 2:00

作業箇所（KP）

工区境 (B)

区間２

除雪作業時刻工区境 (B)

中央分離帯区間 KP0.0-10.3

e[CP 1] 橋梁 (A) / (区間１と２の区間境) KP17.0-17.1

区間２

工区境 (A)

約３時間の差4車線区間 KP0.0-10.3

除雪ST[CP 2] 橋梁 (B) KP23.3-23.4

d

工区境 (A) KP0

CP2（シフト位置）

工区境 (B) KP37.3

CP1（区間境）

除雪ST KP31.0
速度凡例 (20km/h)
区間１

約２時間短縮除雪トラック (A) - 区間1担当

16:26

12/26 18:00

12/26 17:00

12/26 16:00

12/26 15:00

除雪トラック (B) - 区間2担当

14:23

12/26 14:00

13:28

除雪トラック (C) - 区間2担当

除雪グレーダ (A) - 区間1担当

12/26 13:00

除雪グレーダ (B) - 区間1担当

12/26 12:00

12/26 11:00

12/26 10:00

12/26 9:00

12/26 8:00

40
35
30
25
20
15
10
5
0

除雪工区概要図

c

12/26 1:00

40
35
30
25
20
15
10
5
0

岩見沢 IC

工区境 (A)

除雪作業時刻4車線区間 KP0.0-10.3

中央分離帯区間 KP0.0-10.3[CP 1] 橋梁 (A) / (区間１と２の区間境) KP17.0-17.1[CP 2] 橋梁 (B) KP23.3-23.4

工区境 (A) KP0

工区境 (B) KP37.3

除雪ST KP31.0
速度凡例 (20km/h)

図-6

除雪トラック (A) - 区間1担当

除雪トラック (B) - 区間2担当

除雪グレーダ (A) - 区間1担当

除雪トラック (C) - 区間2担当

除雪グレーダ (B) - 区間1担当[シミュレーション] 除雪グレーダ (B)[シミュレーション] 除雪トラック (B)[シミュレーション] 除雪トラック (C)大雪時の除雪作業グラフ(上図 : 除雪施工状況，下図 : 工区シフトシミュレーション)- 49 -

表-2
出動
1 回目
2 回目

除雪作業終了時刻の差

区間

開始時刻

終了時刻

1

2 時 11 分

8 時 16 分2

3 時 35 分

8 時 10 分

1

9 時 49 分

13 時 28 分

2

10 時 43 分

16 時 26 分

両区間の
時間差
6分
2 時間 58 分

６．まとめ
通常の除雪作業では，除雪業者が担当する除雪
工区の区間のみ除雪が行われる。このため，局所的な大雪が発生した時等，除雪作業が遅延し隣接除雪工区との連携が必要になる場合がある。
過去の様々な降雪状況時の除雪施工状況を検証することで，作業の効率性，除雪工区の連携による効果等について検証することができる。また，検証結果を除雪施工計画に反映することで，効果的な除雪施工が可能となり，除雪作業の遅れに起因する旅行速度低下の抑制，渋滞損失額の低減等に寄与できる。
今後は，除雪施工の検証を容易に行うことができるシステムの機能を開発して，道路管理者に提供するなど，効率的な除雪作業の実施に寄与していく所存である。

検証した日は降雪が多く，1 日に 2 回除雪作業に出動している。
1 回目の除雪は，区間 1 及び区間 2 共にほぼ同時の 8 時頃に終了している。
2 回目の除雪では区間 1 が 13 時 28 分に終了している。しかし，区間 2 では 16 時 26 分に終了しており，両区間の除雪作業終了時刻に，約 3 時間の差が生じていた。
両区間の除雪作業状況を除雪作業グラフで確認すると，区間 1 の除雪は 11 時 40 分頃以降，除雪
参考文献
グレーダ(B)が 1 台で除雪作業を行っている(図-6 1) 内閣府ホームページ(http://www.bousai.go.jp/kaigirep/hakの a)。
usho/h26/honbun/1b_1s_04_05.html)：平成26年度防災白書
除雪グレーダ(B)は，13 時 28 分に除雪を終えて，，第1部第1章第4節4-5雪害対策
その後は再出動していない(図-6 の b)。
2) 一般社団法人日本建設機械化協会：機械除雪施工マニュ
一方，区間 2 の除雪作業は，除雪トラック(B，
アル(案)，p54，平成5年11月
C)が 2 台編成の梯団で，KP31.0 ～ KP37.3 の区間
3) 一般社団法人日本建設機械施工協会北海道支部ホームを繰り返し除雪しているため，道路状況は悪かっ
ページ(http://www.jcmahs.jp/html/17_questionnaire.html)：
たと推測される(図-6 の c)。
除雪機械施工に関するアンケート調査結果
両区間の除雪状況から，区間 1 を担当する除雪
4) 岸寛人，牧野正敏，佐々木憲弘：GPSを活用した除雪機
車が，区間 2 の除雪作業の一部を応援することが械運用支援システムの開発，平成22年度建設施工と建設可能だったと想定する。そこで，2 回目の除雪作業
機械シンポジウム，2010年11月
における工区連携効果を確認するため，除雪工区
境をシフトした場合のシミュレーションを行った。
5.3 工区シフト効果の検証
通常降雪時の区間境である CP1(KP17.1)の位置を，CP2(KP23.4)の位置まで約 6km シフトした場合のシミュレーションを行った。シミュレーション
結果を図-6 の下図に示す。
区間境を CP2 にシフトしたことにより，CP1 から CP2 の区間の除雪は，区間 1 を担当する除雪グ
レーダ(B)が行うこととなる。これにより，区間 2を担当する除雪トラック(B，C)は CP2 で折り返すことができ，早期に道路状況が悪かったと推測される区間(KP31～KP37.3)の作業に向かうことができる(図-6 の e)。
5.4 検証結果
検証の結果，除雪作業終了時刻は，区間 1 では
約 45 分延びてしまうが，区間 2 では約 2 時間短縮できる結果となった。
検証した除雪施工状況と同様の降雪状況(降雪
範囲，降雪量)が想定される場合，工区境を CP2 にシフトして隣接区間と連携することで，その効果が期待できると考える。

- 50 -

14．3D-CAD を用いた簡易な土工事施工支援システム

西松建設株式会社 技術研究所
西松建設株式会社 技術研究所
西松建設株式会社 技術研究所

１．はじめに
土木工事において設計や施工支援に 3D-CAD を活用した事例 1) が近年増えてきている。従来の2D-CAD データの場合は，平面図，縦断図，横断図を組み合わせて，これらを現場と照らし合わせ施工していた。図面のある決められた断面（側線）での管理は容易であるが，測線から離れた任意の位置に対して丁張り（位置出し）や施工管理は容易でない。これに対して，3D-CAD は形状データを一元的に管理でき，任意位置の断面図をすぐ作成できるなどの利点がある。しかし，3D-CAD の場合，2D-CAD に比べ操作が複雑であり，習熟にかなりの時間と経験を要する。
そこで筆者らは，簡単な操作で対応できるような 3D-CAD を利用した土工事施工支援・管理用シ
ステム「3D 土工事施工支援システム」を開発した。
本システムは，既往 3D-CAD ソフト（Civil 3D）に，現場作業で必要となる測量支援，出来形管理，出来高（土量）管理の機能を集約，アドオンしたソフトである。設計・測量の 3 次元データを容易に取り込み，盛土・切土形状の 3 次元化が簡単にできるとともに，土量計算から帳票出力までの操作が簡易化できるため，現場管理作業の効率化につながるものと考えられる。
本稿では，開発したシステムの概要と機能，特徴を概説するとともに，現場での適用例について報告する。
２．3D 土工事施工支援システムの概要
本開発システムは，Autodesk 社の Civil 3D 2)を根幹とするアドオンソフトであり，土工事における施工計画，設計，施工を管理・支援するシステムである。
2.1 本システムの構成開発したシステム構成を図-1 に示す。本システ
ムは次の 3 つで構成されている。
① 測量支援機能② 出来高管理（土量計算）機能③ 出来形管理機能

○原
佐藤
田中

久純
靖彦
勉

本システムでは，3D 設計データから丁張りした点の座標を算出・出力するとともに，測量データ
から 3 次元モデルを作成し，日々の測量データを
3D-CAD で一元管理する。3 次元測量モデルから土量を算出して帳票出力する作業を簡易化し，効率
的に出来高管理ができるようにした。また TS による出来形管理の機能も付加した。
設計支援
・設計図書の3次元化など

Civil 3D

3D土工事施工支援システム

測量データの取得○測量支援機能○出来形管理機能（TS出来形機能対応）

施工計画支援・現況測量の3次元化など
施工支援
・ＧＮＳＳ測量（ワンマン測量）
・TS出来形測量など
施工管理支援・土量管理
・帳票出力など○出来高管理機能・GNSS測量
・TS測量
データの取込み
一元管理

現場へデータを反映【3D土工事施工支援システム】
出来高・
出来形管理
断面表示
・パソコンで一元管理
・3D-CADによる可視化

図-1

土量計算・帳票出力

3D 土工事施工支援システムの構成

本システムの特徴は次の通りである。
・盛土工事の管理に必要な機能を一つの画面に集約し，3D-CAD で簡単に操作できる。
・施工の進捗状況を 3 次元的に把握できるため，視覚的に状況が分かりやすく，次ステップの施工計画に反映できる。
・平均断面法により土量計算し，帳票出力までの一連の作業が簡易に行える。
・国交省のデータ交換基準に対応しているため，
市販の TS 出来形管理システムとのデータ交換が容易である。

- 51 -

2.2 本システムの開発目的
まず既往の 3D-CAD を用いて測量，土量管理業
務等を行う場合の問題点について述べる。既往
3D-CAD ソフトでは，以下の機能を使用して，測量・土量計算業務に活用することも可能である。
・現況測量等の測量データの取り込み，表示・丁張り点の座標計算
・断面図の作成，表示・点データ，線データの編集
・数量計算機能・座標データの出力（LandXML 形式）
しかし，Civil 3D においてこれらの機能は各タブ内に散在しているため，測量座標の登録，編集や土量計算を行う際に 3D-CAD の操作方法を十分把握する必要があり，その操作・作業が困難である
ことが課題であった。
そこで本システムは，3D-CAD に含まれている
現場管理作業に必要な各機能を図-2 のように「ベースユニット」と称する一つのタブに機能を集約・ユニット化することで，操作を簡易化し，3次元表示や出来高管理などの作業が効率的に行えるようにした。図 2 のように，本アドオン部分の操作のみで，必要なデータ処理や計算が可能になるため，3D-CAD 機能の熟知や作業時間・手間が少なくなることが本システムの特徴である。

3D 土工事施工支援システム

また，3 次元設計データから丁張りなど現場で設置したい測量杭地点の座標（x,y,z 座標）を算出し外部端末へデータの変換・出力が可能である。ポケット端末に表示することで，丁張りの位置出しが容易に行える。
(3) 出来高管理機能
計測した測量データから，サーフェスデータを作成することで，現施工面（切土・盛土面）の土量を計算し帳票出力する。また，施工時の管理断面（横断面）図を図-3 のように表示することで，施工の進捗が把握できる。
なお，土量計算方法として，既往 Civil 3D にも土量計算機能はあるが，トータル土量のみが計算されるだけで計算帳票の作成機能はない。本シス
テムでは，平均断面法による土量計算をして出来高帳票を出力できる。
設計ライン

図-3

管理断面図の表示例(4) 出来形管理機能
市販の TS 出来形管理ソフトとデータ交換が容易にできる。現場では， ポケット端末を利用し，設計データの修正や帳票出力が可能である。
2.4 本システムによる出来高管理（土量計算）
従来の出来高管理の手順を図-4 に示す。従来の管理では，測量データの取込み，図面への反映，
帳票出力までの手順をステップごとで 2D-CAD や
excel など別々のソフトで編集・管理する必要があり，データの取込みや反映などに時間が掛かる。
屋外作業

測量結果を表示(2D-CAD)

図-4

従来の出来高管理

データ
入力
（手動）

⑥帳票への入力

データを反映⑤土量計算（平均断面法）- 52 -

各ステップによる作業④各断面図から施工面積算出

2.3 本システムの保有機能
本開発システムは以下の機能を有する。
(1) 基準点の設置，割当て支援機能
基準点を定義・登録し，基準点の x,y,z 座標を入力・出力（点データインポート，エクスポート）
および編集ができる。
(2) 測量支援機能
現況測量で計測した各点の座標データを取り込む。測量データは，SIMA，CSV，LandXML の各形式に対応する。

データ
入力
（手動）

③測量データの管理 断面図表示

3D 施工支援システムの表示画面

データ
を記録

室内作業
②野帳へ記録（紙媒体）①出来高測量

図-2

測量ライン

表計算
(excelなど)

本システムを利用した出来高管理では，図-5 のように１つのソフト・タグで編集・管理ができる
ため，次の利点が挙げられる。
・1 つのソフトで管理するため，取扱うデータ
ファイル数が少なくなる。
・土量計算，帳票出力を一連で行うことができ，帳票作成までが効率的になる。
屋外作業

室内作業

データ
入力
（自動）

⑤帳票への入力④土量計算（平均断面法）

データ
を反映

③各断面図から施工面積算出

データを記録読み込み②測量データの管理断面図表示①出来高測量3D土工事施工支援システム

3D スキャナによる測量点群データ

測量結果を反映(3D-CAD)図-5

3D-CAD による出来高管理

３．現場での適用例
次に，大規模盛土工事に適用したシステムの運
用手順と運用における効果について紹介する。施工現場におけるシステム運用フローを図-6 に示す。

現況地形のサーフェスモデル
図-7

測量点群データによる現況地形の 3 次元モデル

設計形状・現況地形の3次元化(2) 測量データの取得
施工現場では，図-8 に示す GNSS や TS により出来高測量を行い，日々の測量データを 3D-CADに取り込むことで，施工状況を 3D-CAD で管理できる。なお GNSS によるワンマン測量を導入する
ことで，測量人員や負担が軽減でき，3 次元による管理をより効率的に行える。

・設計図書より3次元モデルの作成
・3Dスキャナによる現況測量，取込み・現況地形のサーフェスモデルの作成

測量データの取得
・GNSSの設置（GNSS測量のみ）
・現況地形の測量
・測量データの出力

3次元による出来高管理
・測量データの取込み，表示・管理断面図の表示
・出来高帳票の出力
図-6

システム運用フロー3.1 現場におけるシステム適用(1) 設計形状・現況地形の3次元化
3次元設計データは，設計図書の2次元データから作成する。現況地形のモデル化は，図-7のように，3Dスキャナによる測量点群データを本システ
ムに取り込み3D-CAD上で現況地形モデル（サーフェスモデル）を作成する。

- 53 -

図-8

施工現場における GNSS 測量

(3) 3 次元による出来高管理
現況測量したデータから，3D-CAD で表示した
平成 24 年 5 月の現況地形を図-9，平成 26 年 7 月の測量データを図-10，設計データと測量データを比較表示したものを図-11 に示す。これらの図のよ
うに測量データ，設計形状を 3 次元俯瞰表示すると，盛土全体の施工状況を容易に把握でき，進捗確認や次施工の施工計画に参考となる。
出来高管理に関して，3 次元表示の図-11 における測線(A-A)の断面図を図-12 に示すことで，施工状況を平面的に把握し，断面毎で進捗状況をより明確に管理できる。表-1 には，現況地形と測量データから算出した盛土量の出来高帳票を示す。表-1 のように，帳票を出力することで，測線区間毎の出来高が容易に確認できる。また，月別で帳票化すれば出来高，工程管理にも反映できる。

現況地形(H24.5)図-9

測量データ（H26.7）3.2 運用における効果
本システムを盛土工事現場へ運用することで，次の効果が得られた。
①測量データの取込みから帳票出力までの手順を一括化することで，作業時間を短縮できた。
②ワンマン測量を導入することで，測量人員や手間を省力化した。従来と比較して，作業時間を短縮できた。
③3 次元モデルで表示することで，全体の施工状
況の把握が容易になった。
４．おわりに本稿では，3D 土工事施工支援システムを紹介した。3D-CAD の機能を拡張し，設計データや測量
データを 3 次元化することで，出来高・出来形や作業時間の効率的な管理を可能とした。ただし，本システムにおいて次のような課題がある。
例えば，測量データだけでは形状の十分な再現が難しく，境界線や小段ラインの設定を追加して入力する必要がある。今後は，より操作性が高い
システムを構築するようにしたい。
また，今回開発したシステムは，盛土工事だけ
でなく，工種に応じて機能を追加することができるため，基礎工事や地盤改良工事などへの活用にも有効と考えられる。
最後に，本システムの開発にあたり，御協力頂
いたアイサンテクノロジー株式会社をはじめ，関係各位に感謝の意を表する。
参考文献
1) 緒方正剛，飯塚元輔，村井重雄，吉田貴：土工統合管理システムの開発と実証実験，第28回土木情報利用技術講
演集，pp.51～54,2003
2) Autodesk 株式会社 HP：http://www.autodesk.co.jp

現況地形の 3 次元表示例（平成 24 年 5 月）

図-10

測量データの 3 次元表示例（平成 26 年 7 月）

設計データ

A
A
現況地形

測量データ

(H24.5)（H26.7）図-11

3 次元による出来形管理の表示例

設計データ
測量データ
（H26.7）
現況地形(H24.5)

図-12

測 点
単一 本線
452+00.320
452+20.000
452+40.000
452+60.000
452+80.000
453+00.000
453+20.000
453+40.000
453+60.000
453+80.000
454+00.000
454+20.000- 54 -

断面図による出来高管理の表示例（A-A 断面）表-1

出来高帳票の表示例

単距離

断面積 平均断面

0 636.6
20 719.6
20 854.7
20 863.4
20 907.9
20 1038.6
20 1184.4
20 1271.7
20 1307.9
20 1224.2
20 1258.9
20 1195.5

637.29678.10787.12859.05885.65973.221111.49
1228.07
1289.79
1266.01
1241.53
1227.20

土量

出来高

203.8
13,345.2
15,742.3
17,181.1
17,713.1
19,464.4
22,229.8
24,561.4
25,795.7
25,320.2
24,830.6
24,543.9203.813345.1
15742.3
17181.1
17713.0
19464.4
22229.824561.4
25795.7
25320.2
24830.524543.9

備考15．センタータワー方式によるアルミドーム屋根の組立架設
昇降ロボットジャッキ「FCF」を用いた構築システムを開発

株式会社フジタ 設計部○ 本多 茂株式会社フジタ 機械部
三村 洋一
株式会社フジタ 高之峯 FP(作) 池内 俊裕

側壁高=11.90m

１．はじめに
アルミ屋 根径 =31 .30 m
アルミドーム屋根は、外周より中心に向けて組
避 雷針
み立てるのが一般的である。しかし、大半の作業が墜落転落災害の危険性を伴う移動式足場上での歩廊
ラ イズ =5. 22m
高所作業であり、施工方法の改善を行う必要があ▽ F .W. Lった。また、外周からの組み立ては、タンク内部の止水工事と施工時期が重なり内部足場解体後で有効 水深 =11 .40 m
ないと施工が行えなかった。
そこで、アルミドーム屋根の中心リングから外タンク内径= 34. 00m
周部に向けて逆方向に地組みすることで、組立工▽ GL程と吊り上げ架設工程の並行作業を可能にする、
新しい構築システム「昇降ロボットジャッキシス
テム(以降 FCF システム)を組み込んだセンター
図-1 高之峯ファームポンド断面図
タワー方式によるアルミドーム屋根組立架設工法」を開発し、高之峯ファームポンド工事（九州農政局発注、鹿児島県曽於市）に適用し、有効性を確 2.2 アルミドーム屋根とは
本件のアルミドーム屋根は、アルミニウム合金製の認した。
骨組材（ストラッド）を連続三角形でドーム状に組
２．高之峯ファームポンドの工事概要
み立て、三角形のアルミパネルで開口部を閉塞する
2.1 工事概要
ユニット式で構築するもので（図-2）、ストラットと当該工事は、曽於北部で実施する国営畑かん事業 円盤状接合プレート（ガセットプレート）を嵌合型の一環として、水源の谷川内ダムから高之峯揚水 ボルト（ハックボルト）と呼ばれる特殊ボルトとで機場を経由し、農業用水を貯留・配水するファー 接合することで、風などの振動による緩みを防ぐ構
ムポンド築造工事である。
造となっている(写真-1)。
工 事 名：曽於北部(二期)農業水利事業 高之峯フ
資材搬 出口ァームポンド建設工事
工
期：平成 24 年 10 月 17 日～平成 26 年 3 月
20 日（520 日）
施工場所：鹿児島県曽於市財部町南俣地内他
発 注 者：農林水産省 九州農政局（曽於北部農業水利事業所）
第 ５リン グ
請 負 者：株式会社フジタ 九州支店（単独）
第４リ ング
主要工種：PC タンク工（D=34.0m,H=11.9m,有効水
第３リ ング
深 He=11.4m,有効貯水量 V=10,275m3）
第 ２リン グ
土工（敷地造成）14,200m3 法面緑化工
第 １リン グ944m2 基礎杭（φ700）91 本
本体コンクリート 1,302m3、管水路工、
場内舗装、付帯施設、アルミ屋根一式
図-2 高之峯ファームポンド アルミドーム屋根伏図- 55 -

図-4
写真-1

ストラッド接合断面

３．従来工法の概要と課題
3.1 従来工法の構築工程
従来の構築工程は、ドーム屋根を組み立てる組
立工程と組み立てられたドーム屋根を所定の位置に設置する吊り上げ架設工程に大別される。これまでの組立工程では、タンク内外の組立ヤードで移動式足場や高所作業車等を用いてドーム屋根の外周部から中心に向かって順次組み上げていく方法が採られてきた（図-3、写真-2）。また吊り上げ
架設工程では、屋根の規模や作業環境条件に応じて、タンク外に配置したクレーンによる一括架設（小規模）やタンクの側壁上部に配置した複数の巻上げウインチによるリフトアップ架設が一般的に行われてきた(図-4)。
スト ラッ ト受け 台
ら
か
部
立
グ て組
ン
リ っ
周の 向か
外
に
側
内

移動 式足 場

sy m.

巻き上げウインチによるリフトアップ架設

3.2 従来工法の課題
施工条件や規模による違いはあるものの、従来工法の改善すべき共通した課題点を以下に示す。
① 高所作業が多いため、作業員の墜落転落災
害の危険性が大きい。（安全）② 真円保持のため、高精度な組立架台とテン
ションリングの位置出しが必要。（品質）③ 内足場解体後でなければ、アルミドーム屋
根の組立が出来ない。（工程、価格）④ 足場の移動や作業できる箇所が制限され施工時間を要する（工程）
これら課題を改善することを目的とし、センタータワー方式による昇降ロボットジャッキシステム（以降 FCF システム）によるアルミドーム屋根の組立架設工法の開発採用に至った。
４．システムの構成
4.1 センタータワー方式
センタータワー方式とは、タンク中央部に設置したタワーと吊上げ装置を用いて、アルミ屋根のリング
中央部から順次外側に向かって組立を進める工法である。組立て中の屋根全体を段階的に必要量ずつ吊上げ、組立と吊上げを繰り返しながら、作業者は常に床版上で作業を行う。
メインフレ ーム（H- 250）

図-3

センター タワー
2. 42× 2.4 2

従来の構築イメージ図

センタータワー（ H= 29. 2m）
くさび結合支保工材（Y Tロックシステム）

2.49m

F CFロッド（3本）（鋼管：外径7 6. 3mm）
ー
ヤ ）
m
イ
ワ 16 m 向止 径 4方角
防倒 ：線 直
ら
転 段
か
上
（ 廊上
歩

[- 15 0×75
転倒（
床 下段 防止
版
ワ
：
上か 線
イ
ら 径1 ヤー直角 2mm
4方 ）向M1 6後施工アンカー（グリップアンカー）

F CFジャ ッキ本体
（合 計3台）

ドーム吊上げワイヤー（線径1 2m m）（組立時6本、架設時 12本）

架台（メインフレーム）（山留め材：H -25 0）

FC Fジャ ッキ（ 昇降 自在）
タンク内径：D =3 4. 0m

側にか ら外
中央部 て組立向かっM 12後施工アンカー（タップスター）床版 上で 作業

写真-2

図-5

従来工法での組立状況- 56 -

センタータワー構造図

屋根を吊り上げるメインフレーム架台は、H-250の山留め材で製作。アルミドーム屋根の構造計算
上、吊り箇所が指定されたためメインフレーム・
センタータワー・屋根形状を踏まえ吊り上げワイ
ヤーを決定した。メインフレームの下部に配置された３台の FCF ジャッキは、センタータワーが貫通するアルミ屋根中央部の開口部形状に合わせ、六角形に制作した。FCF ジャッキ１台の吊上げ能力
は約 15t なので、屋根の総重量 9.6t に対して十分な作業能力である。
センタータワー本体には、くさび結合式足場材「YT ロックシステム」を採用した。各ジョイントはロック機構を設けており、縦 2 層の大吊りに対応できるほか、振動に対しても安全である。
転倒防止ワイヤーおよび吊上げ用ワイヤーは、ク
レーン則に従い安全係数 6 を確保した。
4.2 FCF システムの概要と特徴
吊上げ装置には、塔状コンクリート構造物の施工方法として、大型型枠工法とスライディングフォ
ーム工法の長所を取り入れて開発された、フジタ
保有技術である FCF ステムを採用した。
FCF システムは、足場や型枠と一体化した作業ス
テージを複数の油圧ジャッキにより鋼管ロッドを楔機構で把持して昇降を行う。
また、複数の油圧ジャッキには制御装置とレベルセンサが組み込まれ、中央制御盤によって常に水平に保ちながら上昇・下降するように制御され安全性を確保している。
高之峯ファームポンドでは、塔状コンクリート構造物の代わりとして前述した足場材を利用したセンタータ
ワーに鋼管ロッドを固定設置し、それを反力に FCF シ
ステムを取り付けた吊り具兼架台となるメインフレーム
を、コンピュータ制御により複数の昇降油圧ジャッキを用いて水平に保ちながら昇降を行う (図-6)。
FCF とは Fast Failsafe Climbing Form の略①下段センタータワー･ＦＣＦ組立③アルミ屋根組立完了

図-7

5.2

写真-3

昇降ジャッキ基本構造図と外観⑦
５ アルミドーム屋根の組み立て
5.1 アルミドーム屋根の組み立てステップ
図-7 に、アルミドーム屋根の全体の組み立てス
テップ図を示す。

- 57 -④アルミ屋根吊り上げ設置

アルミドーム屋根組み立てステップ図

組み立て工程① 下段のセンタータワーを組み立てる。
② 枠組み足場上でメインフレームと FCF 装
置を組み立て、鋼管ロッドを FCF ジャッキ内に挿入設置する。
③ 中段部のセンタータワーと鋼管ロッド延伸し、センタータワーの転倒防止用控え
ワイヤーを対角方向に設置する。
④ アルミドーム屋根を第 1 リングから第 3
リングに向けて底版上で地組する。

⑤
⑥
図-6

②上段センタータワー組立･
アルミ屋根中央より組立⑧

中心からの組み立て状況

吊り上げ用のワイヤーを設置する。
最上段部までのセンタータワーと鋼管ロッドを延伸し、完了後 2 段目の控えワイ
ヤーを設置する。
FCF システムによる上昇→4 リング組み
立て→上昇→5 リング組み立てを行う。
アルミドーム屋根を架設するため、干渉する 1 段目の控えワイヤーを取り外し、吊りワイヤーの盛り替えを行う。

写真-4

止水工事と並行したリング組み立て状況

5.3 吊り上げ架設工程① FCF システムで躯体上部の所定の高さまで吊り上げ固定する。

写真-5

②

吊り上げ状況

吊りワイヤーを外し、FCF システムを降下させ底版上で解体し、開口部よりタンク外に搬出する。
③ 屋根より上部をクレーンで撤去する。
④ センタータワーを利用し、ドーム屋根の中央部を組み立てる。
⑤ 残りのセンタータワーや資材を順次解体、開口部よりタンク外に搬出し、搬出完了
後に開口部を閉塞して架設工程完了。

結の品質がより向上した。
・中心部から施工により、作業が残るタンク側壁部の施工とのラップ作業が可能となり、2 週間程
度の短縮が図れた。
・ほとんどの組立工程が床上の作業となることで、屋根資材の運搬や組立作業が効率化された。また、架設工程が自動化されることで必要作業員の省力化が図れるため、規模の大きいタンクにおいて経済効果が向上すると思われる。
6.2 課題
本工法による課題について以下に示す。
・今回は、センタータワーに YT ロック足場を使用
し 3 本の FCF ジャッキシステムで施工をしたが、施工条件に応じた部材やジャッキの本数の最適化を検討しておく必要である。
・規模が大きくなると高層で強度を有するセンタータワーが必要となり、緻密な計画が必要となる（31m 以上のタワーになると建設工事計画届け
が必要）。
７ 考察
今回、国内初の事例としてセンタータワー方式
によるアルミドーム屋根の組立架設を行った。その結果、従来工法に望まれるコストの低減をはかりつつも安全性と作業効率、施工性の向上には大きな効果があった。アルミドーム屋根の径が大きくなればよりそのメリットも顕著になるものと思われる。ただ、施工中に大きなトラブルはなかったが、吊上げ時には風の影響を受けるため、気象条件を十分把握し、振れ止め対策についても留意しなければならない。
今後は、大規模なタンクに適したセンタータワ
ーの構造形式や構築方法の改善を図り、更なる効率化と安全性を高めた工法として完成度を上げていく。

６ 本工法の効果と課題
6.1 効果本工法による効果について以下に示す。
・大半の作業が底版上での地組み作業となるため、資材の運搬や人の移動が効率的となり施工性が写真-6 FCF システムによる吊り上げ完了
向上し、墜落・転落災害の危険性のある高所作
業を大幅に削減でき安全性が向上した。
・組立工程と作業高さを調整する吊り上げ工程を
参考文献
繰り返しながら順次構築するために、組立て時 1) 池内俊裕：センタータワー方式によるアルミ屋根の組立
架設～国内初工法へのチャレンジ，㈱フジタ 第65回土に発生する局部的なひずみが吊り上げ時に開放
木施工技術研究発表会論文集，p.43～48, 2014年発行されることで、ボルト締結作業が容易となり締- 58 -

16．６６時間型枠存置が可能な新型テレスコピックセントルの開発

鹿島建設（株）機械部
鹿島建設（株）土木管理本部
鹿島建設（株）土木管理本部
１．はじめに
近年，社会的要請を背景にトンネルの覆工コン
クリートの品質向上に対する要求が高まっている。
トンネルの覆工コンクリートは，通常のコンクリート構造物と比較した場合，部材厚が薄いうえに，
トンネル内が遮光，恒温，多湿であり養生環境が屋外とは異なることから，自重に対する支持強度が十分発現すれば脱型することが許容されており，一般的な 2 車線道路トンネル断面では 2 日に 1 回の打設により平均 18 時間程度で脱型することが通例となっている。
このため，覆工コンクリートの品質をさらに向上させるには，打設工程に影響を与えることなく
型枠存置期間を長く取ることで，脱型時に発生す
るコンクリート内部の収縮ひずみを軽減するとともに，コンクリート表面の緻密化を図る必要があった。
この度，2 日に 1 回という打設サイクルを変えることなく，66 時間の型枠存置が可能な新型テレスコピックセントルを開発し，その効果を検証したので報告する。
２．現状の問題点と開発方針
現場で実際に打設した覆工コンクリートの内部温度を測定した結果を図-1に示す。

図-1 覆工コンクリート内部温度の経時変化の例

○重永晃洋
西岡和則
手塚康成

このグラフによると，コンクリートの内部温度のピーク（最もセメントの水和反応が活発な時期）
は，打設完了後約21時間であり，18時間の時点では，水和反応はピークの手前であることがわかる。
すなわち，18時間で脱型すると，覆工表面は水和反応に必要な水分まで蒸発し，コンクリートの強度増進が妨げられ，コンクリート表面の緻密化が進まないことになり，水や気体の浸透劣化の観点から，覆工コンクリートの長期耐久性に悪影響を及ぼす。
通常，型枠の存置期間を延長するためには，①工程を調整して，1台のセントルを長時間存置②セントルを2台用意して交互に打設が考えられる。
しかし，①の場合，標準的なトンネル覆工の打設サイクルは，打設6時間＋養生18時間 ＋脱型～
移動セット8時間+夜間休止16時間=48時間で計画されており，打設工程の遅延が避けられない。
また②の場合，トンネル全長を2区間に割って，2台のセントルで個々に分割施工するケースと，1台を歯抜けで先行させて，2台目はその間を打設しながら併進するケースが考えられる。このとき，前者の場合は，比較的施工延長の長いトンネルへの適用に限定され，打設場所が分散されるため，作業管理が非常に煩雑になる。一方，後者の場合
は，先行部は常に両妻枠となり，天端の充填圧力を十分に確保することが困難になる。また，後行部は充填不良の可能性がある両側ラップの打設になり，いずれも天端の充填性確保のうえで問題が大きい。
そこで，打設サイクルを変えずに型枠存置期間を長く取るため，フォーム（型枠）を2台用意し，1台目のフォームはガントリーで支持された状態
でコンクリートを打設し，その間，先行打設した2台目のフォームを存置可能とするテレスコピック
構造のセントルを開発することにした。
これによって，18時間+48時間=66時間の型枠存- 59 -

図-2 透気試験結果（模擬試験）

図-3 新型セントル施工概念図

置期間の確保が可能となる。図-1でも明らかなように，66時間ではコンクリート温度が低下しており，水和反応がかなり進んだ状況であるため，この時点で脱型したほうがコンクリートの品質が向上することは自明である。
この効果について，実施工に先立ち模擬試験において，コンクリートの表層品質を評価する指標のひとつである4週後の透気係数を比較すること
により検証した1）。
図-2にその結果を示す。従来の18時間後脱型では約2.0×10-16㎡に対して，66時間後脱型では約0.2×10-16㎡とほぼ1/10に低下しており，7日間型
枠を存置して養生した場合と概ね同等の効果が得られることがわかった。
つまり，新型テレスコピックセントルによって66時間型枠を存置することで，材齢初期の型枠養生効果が十分に発揮されることが確認できた。

ーチフォームとガントリーは複数のジャッキとターンバックルによって接合されており，施工中にこれらを完全に切り離すことはない。
一方で，テレスコピック構造の新型セントルを開発するにあたっては，以下の課題を解決する必要があった。
①存置されたアーチフォームの内部をもう一方のアーチフォームがくぐり抜けられること。また，セントル内に重機走行や仮設備（風管、連続ベ
ルコン等）のスペースが適切に配置できること。
②アーチフォームとガントリーの接合・切り離し作業が容易で，打設のサイクルタイムに影響を与えないこと。
③存置するアーチフォームが自立できること。
これらに対して，従来のセントル構造を適用す
ると，特に①②について，・剛性の高い厚みのあるアーチフォームでは，存置されたアーチフォーム内をくぐり抜ける十分なクリアランスが確保できず，加えて仮設備の配置が困難となる。
・多くのジャッキやターンバックルを都度脱着しなければならず，作業効率が著しく低下する。
等の課題が生ずるため，新たな発想で設計する必３．新型テレスコピックセントルの開発
3.1 設計における課題と解決策
一般的なセントルは，剛性の高いアーチフォー
ムとジャッキ，ガントリーによって打設時及び養生時の荷重を受ける構造となっている。また，ア

図-4 新型セントル構造図

写真-1 新型セントル全景- 60 -

【第 1 日目】
第１フォームは養生中．

第１ﾌｫｰﾑ第２ﾌｫｰﾑ養生

打設

第２フォームを使用してコンクリートを打設する．
【第２日目】
第２フォームと運搬装置（ガントリー）を分離し，

18H

第２フォームはそのままの状態で養生する．

第２ﾌｫｰﾑ第１ﾌｫｰﾑ養生

セット

第２ﾌｫｰﾑ第１ﾌｫｰﾑ養生

打設

第１フォームをガントリーに接合して縮径し，第２フォームの下をくぐり抜け，次の打設位置まで前進する．
【第３日目】
66H

第２フォームは養生中．
第１フォームを使用してコンクリートを打設する．

48H

脱型

【第４日目】
第１フォームと運搬装置（ガントリー）を分離し，第１フォームはそのままの状態で養生する．
第２フォームをガントリーに接合して縮径し，第１第１ﾌｫｰﾑ第２ﾌｫｰﾑ養生

セット

フォームの下をくぐり抜け，次の打設位置まで前進する．
脱型
図-5 施工手順要があった。
これらの課題を解決するため，次に示すような構造の新型セントルを設計した。
①存置するアーチフォームの厚みを抑えながらも，打設時とコンクリートの強度が発現するまでの初期養生時に受ける荷重を十分に支持できるよ
うに，アーチフォームを受けるガントリー側の接合部を，剛性の高いウオール構造とする。
②ウオール全体によってアーチフォームを受ける構造とすることで，ジャッキやターンバックルの脱着箇所を必要最小限とする。
③存置させるアーチフォームは，単体で自立できる構造とする。
今回開発した新型セントルの概念図を図-3に，構造図を図-4に，全景を写真-1に示す。
3.2 施工手順
新型セントルを適用した場合の施工手順を図-5に示す。同図のように， 1台のガントリーが2台のアーチフォーム間を往来することで，交互に連続した打設が可能となる。また，養生完了部のアーチフォームは，ガントリーと接合後に縮径し，存置されたアーチフォームの内側をくぐり抜ける構造になっている。

ル延長1,287ｍの全線に亘って新型セントルを適用した。なお，使用したコンクリートは
21-15-40BB(無筋区間)である。
新型セントルの重要な工程となる，くぐり抜けについては，
計画上は離隔を確保しているものの，実際の現場における不確定要素があるなかでスムーズに移動することができるか懸念されていた。
しかし，レールの芯出しを正確に行い，セントル間のクリアランスを確認しながら慎重に行えば，計画どおり問題なく移動することができた。
図-6に計画上でのくぐり抜け時のフォーム離隔を示す。また，移動は打設サイクルに影響を及ぼすことなく，
2日に１回の打設サイクルで66時間後脱型を実施することができた。

４．現場での施工事例
4.1 岩古谷トンネル（新型セントル 1 号機）の適用例(普通コンクリート) 2）
岩古谷トンネルは2車線道路トンネルで，トンネ- 61 -

写真-2 施工状況（岩古谷トンネル）

天端離隔 250mm
最小離隔
143mm

天端離隔 294mm

最小離隔 152mm

覆工ｺﾝｸﾘｰﾄ
第１ﾌｫｰﾑ第２ﾌｫｰﾑｶﾞﾝﾄﾘｰｳｫｰﾙ

最小離隔 143mm

図-6 計画時のくぐり抜け状況（岩古谷トンネル）

図-7 計画時のくぐり抜け状況（徳定トンネル）

4.2 徳定トンネル（新型セントル2号機）の適用
例(中流動コンクリート) 3）
徳定トンネルは新東名高速道路トンネルで，トンネル延長1,172ｍ（上り線582ｍ，下り線590ｍ）の全線に亘って新型セントルを適用した。使用したコンクリートは単位セメント量が350kg/m3の特殊混和材系中流動コンクリートである。
中流動コンクリートに 2 号機を適用するにあたり，1 号機の普通コンクリートに比べて，側圧が増加することによって各部材が厚くなることが予想されたため，アーチフォームのくぐり抜け時のクリアランスを十分に確保すべく，1 号機の実績を反映した構造の一部変更と，設計条件の精査による部材厚の低減を図った。アーチフォーム移動時の断面を図-7 に示すが，この改造によって，側圧が増加しても天端部で約 300mm，肩部で約 150mmの離隔が確保できた。
さらに，大口径の風管や連続ベルコンなど仮設
備の通過スペースを容易に確保できる設計が可能となった（図-8 参照）。
部材厚の低減にあたっては，施工時に各種計測器をセントルに設置して，コンクリートの側圧やフォーム応力および支持ジャッキの軸力を測定した。その結果，フォームに作用した側圧は設計荷重以下に収まっており，中流動コンクリートに対しても，構造上問題がないことを確認した。
表-1に標準的な施工サイクルを示すが，従来と同人数の施工体制で，確実に2日に1回の打設サイ
クルで66時間後脱型を実施できた。
５．適用効果の検証
岩古谷トンネル，徳定トンネルでは，適用効果を検証するために様々なデータを取得した。以下にその結果例を示す。
5.1 覆工コンクリートの収縮ひずみ測定結果 2）
岩古谷トンネルで，天端部のコンクリート内部に，ひずみ計を覆工表面から 10 ㎝の位置（内側）と 20 ㎝（外側）の位置 2 ヶ所に埋設し，養生時間の差によって生じる覆工内部のひずみの変化量を測定した。図-9 に従来の方法により 18 時間で脱型した場合と，新型セントルにより 18 時間でガントリーを外し，66 時間で脱型した場合のひずみの表-1 標準施工サイクル

風管

連続ベルコン

作 業 の 流 れ

図-8 仮設備配置例- 62 -

昼休み

+：膨張ひずみ、‐収縮ひずみ （計測値を弾性ひずみに補正した値）

100

100

脱型

外側（天端）
内側（天端）

ｼﾞｬｯｷ撤去
ｶﾞﾝﾄﾘｰﾀﾞｳﾝ

0

-44μ
-51μ
-96μ

-100

ﾌｫｰﾑﾀﾞｳﾝ

-20μ
-20μ

-15μ

0

ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

外側（天端）
内側（天端）

-41μ
-53μ

-100

-133μ
外側（天端）
内側（天端）
内側（天端）
外側（天端）

-200
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

-200
0.0

5.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

ガントリーダウン後経過時間(日)脱型後経過時間(日)①18 時間後脱型の結果②66 時間後脱型の結果

図-9 天端部におけるひずみ増分の測定結果

変化量を示す。これよると，18 時間で脱型した場
合は，脱型直後に発生した収縮ひずみは外側で約44μ，内側で約 51μ，ひずみが収束に至るまでに外側で約 96μ，内側で約 133μの収縮ひずみが発生した。一方で，66 時間で脱型した場合，ガント
リーダウン時で両側に約 15μ，フォームダウン時
で約 20μ，収束時に外側で約 41μ，内側で約 53μの収縮ひずみが発生した。
両者を比較した場合，66 時間で脱型した場合のトータルのひずみ量は，18 時間で脱型した場合の約 40％に止まっており，今回開発した新型セントルは，脱型による覆工内部の収縮ひずみを抑制していることが確認できた。特に 18 時間で脱型した
場合，自重によるひずみに表面からの水分の蒸発による乾燥収縮ひずみが加わり，内側が漸増傾向を示しているものと推察されるが，66 時間で脱型した場合は，この傾向が見受けられない。すなわ
ち，66 時間型枠を存置することにより，自重の他，
温度変化や乾燥に伴う覆工表面の収縮ひずみの発生も抑制されている。

図-10 透気係数測定位置

5.2 覆工表面の透気係数測定結果(表層品質改良効果) 3）
徳定トンネルでは，図-10に示すように断面方向
ではアーチ天端とアーチ肩の上部・下部とS.L.部の4箇所，トンネル軸方向では既設側部・中間部・
褄側部の 3 箇所の計 12 箇所について， 18 時間脱型ブロックと，同時期打設の 66 時間脱型ブロック
でトレント法により透気係数を測定し比較した。
その結果を図-11 に示すが，打設時期に係らず，
18 時間脱型ブロックの透気係数は 0.10～
3.00×10-16 ㎡とばらつきが大きく，対数平均値が0.80×10-16 ㎡程度になっている。一方，66 時間脱型ブロックは，0.05～0.20×10-16 ㎡とばらつきが小さく，対数平均値は 0.09×10-16 ㎡程度となった。
また、岩古谷トンネルでも同様の測定結果が得られており，普通コンクリート，中流動コンクリートのいずれにおいても，従来の工法により 18
時間で脱型した場合に対して，新型セントルにより 66 時間型枠を存置して脱型した場合，透気係数は 1 オーダー小さい値になり，ばらつきも小さく

図-11- 63 -

透気係数測定結果（徳定トンネル:打設 4 週間後）

なることから，覆工表面全体が均等に緻密化されることが確認できた 4）。
5.3 ひび割れ低減効果
表-2 および図-12 に弊社施工の既往のトンネルとのひび割れ発生率の比較を示す。これによると，
従来工法による場合は，竣工時に施工ブロック全
体の 20～35％に亘ってひび割れが発生しているが，岩古谷トンネルや徳定トンネルでは 2～6％に止まっており，新型セントルによるひび割れ低減
効果が明確に表れている 5）。
表-2 ひび割れ発生率の比較

トンネル名

竣工時期

施工
ＢＬ数

ひび割
れ発生
ＢＬ数

発生率
（％）

S トンネル(従来)2007.03

134

48

36

Ｔトンネル(従来)2011.03

120

25

21

岩古谷トンネル

2014.0312676

徳定トンネル

施工中

53

1

2

※徳定トンネルのインバート拘束ひび割れは除くが向上する。
６.今後の展開
今回開発した新型テレスコピックセントルの施工実績を検証した結果，従来と同人数の施工体制と 2 日に 1 回の打設サイクルを変えることなく，
66 時間型枠を存置して養生時間を確保することにより，覆工コンクリートの品質が格段に向上することが確認された。
今後，岩古谷トンネル及び徳定トンネルでのひび割れの追跡調査と併せて，徳定トンネルにおけるひずみ測定結果に基づき解析的な検討も実施し，ひび割れ低減効果と長期耐久性向上効果の検証を継続して実施していく予定である。
なお，新型テレスコピックセントルの 3 号機と4 号機を本年度中に次工事に導入する予定である。
連続ベルコンとの組み合わせとなる初めての現場として作業性，施工性についても検証を行い，より適用性を拡大していく所存である。さらに，今後，適用現場が増加するに伴って，コスト低減が可能となるため，積極的に展開を図っていきたい
と考える。
参考文献
1)近藤啓二・西岡和則・坂井吾郎・安齋勝：土木学会
第 68 回年次学術講演会，Ⅵ-424，土木学会，20132)竹市篤史・日野博之・西岡和則・手塚康成：JTA

第 73 回施工体験発表会(山岳)，20143)間井博行・橋爪智・居川圭太・金子恵一：
トンネルと地下 投稿中 土木工学社，2014
4)金子恵一・川崎雄太・坂井吾郎・佐藤崇洋：土木学会
第 69 回年次学術講演会，Ⅵ-065，土木学会，2014
5）西岡和則・手塚康成：臨床トンネル工学 平成 26 年度
最新トンネル技術講演会 投稿中
図-12 ひび割れ発生率の比較図

ル工学研究所，2014

5.4 新型テレスコピックセントルの効果
これまでに新型セントルが適用された２工事での施工実績の一部を上記に述べたが，得られた知見から適用効果をまとめると以下のとおりである。
水和反応のピークが過ぎた後まで型枠による養生期間が確保できることにより，①材齢初期の収縮ひずみ量が 40％程度に抑制される。
②使用するコンクリートの種別にかかわらず覆工
表面の緻密化が図られる。
③初期のひび割れ発生率は 1/5～1/10 程度まで低減される。
これらによって覆工コンクリートの長期耐久性- 64 -

NPO 法人臨床トンネ

17．広幅断面バケット式掘削機の開発と実施工への適用
高崎線桶川・北本間二ツ家こ道橋新設工事 HEP&JES 工法

鉄建建設㈱東日本旅客鉄道㈱㈱ジェイテック

１．はじめに
線路下を横断する道路や水路などの構造物を施工する場合，列車運行に支障を与えないために，
軌道変状を抑えることが必要である。このような中，軌道影響を抑制した線路下横断工法として，
HEP&JES 工法 1) を開発し，多くの施工実積を積み重ねてきた。HEP 工法（Highspeed Element Pullmethod）とは，到達側に設置したけん引装置で，エレメントとその先端に直結した掘削装置を PC
鋼より線にて到達側に引き込む工法である。JES
工法（Jointed Element Structure method）とは，軸直角方向に力の伝達可能な継手を有する鋼製エレメ
ントを嵌合させ本体利用することで，線路下横断
構造物を短期間に安全に構築する工法である。工法概要図を図－1 に示す。
これまで，施工速度向上，コスト低減を目的とし，施工機械の開発を行い，実施工に導入してきた。写真－1,2 にオーガー式掘削機，従来のバケッ
ト式掘削機を示す。この度，機械化施工による掘進のさらなる高速化および無人化掘削による作業環境の改善を図ることを目的とし，広幅断面バケット式掘削機を開発した。
本稿では，広幅断面バケット式掘削機（以下，本掘削機という。）の概要と実施工への適用事例について報告する。
２．広幅断面バケット式掘削機の概要
2.1 開発の要点
本掘削機の開発要点は以下の 3 点である。
① バケット式掘削機の広幅断面への対応② 掘削機構と排土機構の分離および並行処理による施工速度の向上③ 掘削機の姿勢管理・制御方法
本掘削機イメージを図－2 に示し，特徴を以下に記述する。
2.2 仕様本掘削機の仕様を表－1 に示す。なお，地盤条件
は他掘削機の適用範囲を除外した範囲である。

- 65 -

○泉
宏和
中山 泰成
鈴木 英之

JES継手の詳細

JES継手
JES継手

鋼製エレメント
掘削装置
PC鋼線
けん引装置

図-1

HEP&JES 工法の概要図

写真-1

写真-2

オーガー式掘削機

従来のバケット式掘削機

表-1
名 称
仕 様
寸 法
能 力
本体重量
適用地盤

更することができる。バケットの最大可動範囲を
図－8 に示す。

機械仕様

広幅断面バケット式掘削機
油圧バケット式W 2030 mm×L 4650 mm×H 850 mm
ギャザリング排土機構 11.7 m3／h
5.85 tf
・玉石混じり地盤 玉石径 200 mm以上
・N値≧20 砂質土・N値≧8 粘性土
※本掘削機を選定する際の地盤条件

2.2 鋼製エレメント形状
本掘削機でけん引・設置する鋼製エレメントは，
標準エレメント（1,035mm）2 本分の幅を有する広幅エレメント（1,035mm×2 = 2,070mm）を基本とする（図－3）。従来のバケット式掘削機は標準エレメントを使用していたが，広幅エレメントを用いることで，エレメント施工本数を減らすことが可能となり，工期短縮およびコスト低減を可能としている。
2.3 掘削機構と排土機構
従来のバケット式掘削機は，バケットで掘削した土砂を直接後方のベルトコンベアへ積み込む構造であり，掘削と排土を分離していた。本掘削機
は，バケットで掘削した土砂を集積し，ギャザリ
ング装置がベルトコンベアに積込む作業を分担するように改良を加えた。この改良により，掘削と排土を並行して処理することで，施工速度の向上を図っている（図－4）。
広幅断面に対応して，バケットは，スイングおよび旋回機構を搭載し，可動範囲を広くした。また，ギャザリング装置は，油圧モータによる回転運動をリンク機構で，大きな半円状の爪の動きを実現している。そして，バケットとギャザリング
の干渉防止として，ギャザリングの自動停止および運転再開ラインを設定することを可能としている（図－5）。
2.4 掘進時の姿勢制御機構
本掘削機は，幅が広いため，掘進に伴い継手が嵌合していない側が沈む（ローリング）ことが懸念された。このため，既往の開発である刃口姿勢制御手法 2) を採用した。具体的にはアウトケーシ
ングの下面にテーパーを設け（図－6），下面の掘削量の調整を行うことにより姿勢制御を行う。本
掘削機の高さ，ローリングは電子レベル，ピッチ
ングは傾斜計により常時計測およびモニタリングを行う。電子レベルは背面の立坑内に設置し，受光部（電子スタッフ）を本掘削機内に設置することで，高さを計測する（図－7）。
2.5 掘削範囲制御機構
本掘削機では，バケット可動範囲を制御することにより，掘削範囲を制限することができる。また，掘削バケットツースの本掘削機端部からの出
代は，全範囲（上下左右）遠隔制御が可能であり，切羽の地山状況により中央管理室の制御盤にて変- 66 -

図-2

広幅断面バケット式掘削機の概要図

標準エレメント×2

図-3

広幅エレメント×1

鋼製エレメント断面図

850 mm2030 mm

図-4

図-5

広幅断面バケット式掘削機

バケットとギャザリングの干渉防止

図-6

下面テーパー形状イメージ図

切羽全面の土質状況及び掘削状況は刃口先端に配置した監視カメラ 4 台(LED 照明付)にて中央管理室のテレビモニターで管理する。監視カメラ配
置図を図－9 に示す。死角の無い配置により切羽全域の監視を行う。
2.6 掘進管理
本掘削機およびエレメントけん引装置の操作は，作業ヤード内に設置する中央管理室にて行う。中
央管理室内の状況を写真－3 に示す。全体管理 PC
では，けん引距離，けん引速度，けん引力，補助
推進力，ピッチング，ローリング等のデータを監視する。
2.7 けん引および補助推進
エレメント掘進は，継手を嵌合させる側 3 本のPC 鋼より線によるけん引，および継手がフリーとなっている地山側の補助推進を行っている。けん
引設備は到達立坑に設置する。補助推進は，発進立坑の反力設備を設置しジャッキにて行う。

写真-3

中央管理室内状況

図-10

図-7

刃口計測機器配置図

図-8

バケット最大可動範囲

図-9

切羽監視カメラ配置図

施工位置図

３．実施工への適用事例
3.1 工事概要
本掘削機を採用した高崎線桶川・北本間二ツ家
こ道橋新設工事 3)（以下，二ツ家 Bv という。）は，
JR 高崎線と一般国道 468 号線首都圏中央連絡自動車道（圏央道）および，主要地方道東松山桶川線（県道）の立体交差工事であり，JR 高崎線下に 1
層 4 径間のボックスカルバート（幅 49m，高さ 8.9m，延長 14m）を構築するものである（図－10～12）。
試験ヤードにおける施工試験を経て，二ツ家 Bvの下床エレメントの施工（8 エレメント：図－11に①～⑧と記載）を本掘削機にて行った。
3.2 土質条件
対象地盤は，設計時の土質柱状図ではシルトが介在する砂層（N 値 6～20）と想定されていた。そのため，掘削機は，オーガー式を採用する計画であった。しかし，下床エレメント施工地盤は，立坑掘削時に N 値 30 以上の硬質砂質土であることを確認したため，N 値 20 以上の地盤に適用可能な本掘削機を採用することとなった。
3.3 施工結果① 施工精度本掘削機による下床 8 エレメントの施工順序を
図－11 に示す。二ツ家 Bv は 4 径間の割付であり，径間毎に施工誤差を吸収する調整エレメントを施工して閉合する。そのため，施工目標高は，先行して施工した調整エレメントの隣のエレメントの- 67 -

図-11

横断図（二ツ家 Bv）
ＪＲ高崎線

発進立坑

高さに向けて徐々に近づけることとした。例えば，
高崎方 1 径間では，①KK1&3，②KK4&6，KK5，
L の 4 エレメントの施工で施工済の M6 に徐々に近づけるようエレメント毎に施工目標高を設定した。
その際の掘進完了後のエレメント高さを図－13 に示す。施工目標高に向けて，徐々に近づけることができており，姿勢制御および掘進管理により，所定の施工精度内でエレメント掘進が完了した。
他の径間についても同様な結果であった。
② 掘進速度
掘進速度については，本掘削機による 1 方（作業時間 420 分）の最大掘進量は 4.4m／方であり，1エレメント(14m)を 3 日程度で掘進した。同時期に施工した人力掘削では，標準サイズエレメントの最大掘進量が 3.7m／方であったことから，エレメ
ントサイズが広幅になり，1 回のけん引で標準エレ
メント 2 本分の掘削が可能となることから，本掘削機の適用は非常に有効であったと言える。なお，施工体制は，人力施工の 1 班 6 人に対し，機械施工により 1 班 4 人で実施した。
③ けん引力図－14 に①KK1&3，②KK4&6 のけん引力管理
図を示す。縦軸は PC 鋼より線 3 本のけん引力および後方からの補助推進力の和を表している。
掘削機高さを修正するため，姿勢制御を実施した②KK4&6 は二次管理値付近と高い値であったが，けん引力と補助推進力の和は，全エレメント
において所定の管理値内であった。
４．まとめ
広幅断面バケット式掘削機を開発し，試験ヤー
ドでの施工試験を経て，実施工へ適用した。実施
工により，本掘削機が N 値 30 以上の硬質砂質土に対して有効であることを確認した。
本掘削機の採用により，従来のバケット掘削機や人力掘削と比較して，施工速度の向上による工程短縮，および作業人員削減によるコスト縮減に繋がると考える。定量的な評価については，今後，同様のプロジュクトへの展開を図り，施工実積を積み重ねて整理していく。

到達立坑
土被り 1.4 m
HEP&JES 工施工範囲（JES 函体）

上床版エレメント
8.9 m
補助推進ジャッキ

広幅断面バケット式掘削機

けん引設備

鋼製エレメント
下床版エレメント
3.0 ‰

図-12

図-13

縦断図（二ツ家 Bv）

施工目標高とエレメント高さ②KK4&6120％①KK1&3110％
100％

二次管理値（120％）
一次管理値（110％）
計算値

図-14

（100％）

けん引力管理図

参考文献
1)（財）先端建設技術センター：先端建設技術・技術審
査証明 報告書HEP&JES工法（更新），2005.11

2)

泉宏和，岩瀬隆，中井寛，齋藤貴，藤本幸夫：地盤切削 JES 工法における刃口姿勢制御手法の施工確認試
験，第 48 回地盤工学研究発表会，pp.1489-1490，20133)

西村知晃，中山泰成，尾関聡司：地盤切削 JES 工法による立体交差工事－高崎線桶川・北本間二ツ家こ道橋
新設工事－，土木施工，vol.54，No.8，pp.32-35，2013.8- 68 -

18．真空条件下におけるレゴリスシミュラントと金属材料の摺動接触
明石工業高等専門学校
明石工業高等専門学校

○松本
江口

和彦
忠臣

これらの物質を製造するための技術を確立する
１．背景
近年，宇宙開発が注目されている。2010 年に帰 ためには，1）月面において資源材料となる物質を還した小惑星探査機「はやぶさ」や，2013 年に打 検出するためのセンシング技術（見つける技術），
ち上げが成功した固体燃料ロケット「イプシロン」 2）検出された資源を掘削，運搬するハンドリングなど，人類の宇宙進出が進んでいる。そして，月 技術（調達する技術），3）材料から目的物質を製探査計画（SELENE 計画）も進行中である。これ 造するプロセッシング技術（製造する技術）が求は，月周回衛星「かぐや」による月面の地形，組 められる。
月で人間が活動を行うためには，新たに月環境成そして重力場などを計測するもので，将来の月資源利用のための基礎データを収集した。さらに， に適応したシステムを構築しなければならない。
SELENE-2 の計画も進められており，これは月に 表-1 に月と地球の環境の相違を示す。重力，大気，
日照，温度などの環境条件が異なる。施工技術の着陸しその内部を詳しく調査するものである。
月を目指す動機のひとつに月資源利用がある。 分野においては，これらの環境を考慮したハンド
これは，月にある物資や環境を利用して人類の活 リング技術，すなわち採取，掘削，運搬の技術開動に役立てようとすることであり，月の資源利用 発が行われなければならない。
には以下の２つの意味がある 1）。1 つは，月で採
表-1 月と地球の環境の相違取された資源を地球に輸送して利用するというも月地球のである。地球と月の往復の輸送コストを上回る
1/6G
1G
重力
価値のある物資が月には存在する。
もう 1 つは，月で採取された資源を月面上もし21%O2,79%N2
大気
高真空
くは宇宙で利用するというものである。これは，
1 日の長さ
23.53 日1日
近年の人類の宇宙進出によって新たに生み出され平均温度
107℃,-153℃
15℃
た価値である。地球外に進出する際に必要となる
極地温度
-230℃
-20℃
物資や消耗品などの輸送にはコストがかかる。したがって，地球からの輸送にだけ依存しながら活動領域を拡大するのは得策ではない。現地で生産， ２．目的製造が可能になれば活動の自由度が大きく拡がる。 本研究では，月の資源を調達する際に行われるゆえに，月に実際に存在しているもので利用可能 掘削，運搬作業に伴う作業部の摺動場面におけるな物質が新たな資源としての意味合いを持つので 土砂との摩耗の問題を取り扱う。地球上では工学ある。
的に培われた経験則が通用するが，月面環境，とより経済的に月資源を利用するためには，以下 くに高真空雰囲気であること，月土壤がレゴリスの 3 点を考慮に入れなくてはならない。
と呼ばれる特殊な土砂であることが，金属と土砂・材料の入手性（存在量と収集のしやすさ）との接触にどのような影響を及ぼすかが十分に検・加工の技術的難易度
証されておらず解明すべき点が多い。
・生成物の重要性（有人活動に向けての必要性）
本研究では，月土壤であるレゴリスを人工的に過去の SELENE 計画やアポロ計画などによって 地球上の鉱物で再現した月面模擬土（レゴリスシ
月面に存在する物質に関してある程度の情報は得 ミュラント）と金属材料を真空中で摺動接触させられている。比較的容易に月の資源から加工抽出 る実験を行った。これによって，月面での摺動接できることが明らかになっており，重要度の高い 触特性を見出し，ハンドリング技術開発のための目的物質は H2O，O2，Fe，Ti，Si である 1）。
基礎データを得ることが目的である。

- 69 -

３．摺動接触実験方法
3.1 使用材料(2)金属試料(1)レゴリス及びレゴリスシミュラント
建設機械の作業部に用いられる金属試料は，地レゴリスとは月の表層面に堆積している土砂で， 球上では通常タングステンカーバイトなどの超硬粒径の中央値が 70μm，最大値が 2mm 程度の粒 金属が用いられている。しかし，初期段階におけの集合体である．その組成はアポロ 11 号などが る月面での掘削においては，岩の削岩ではなくレ持ち帰った試料から明らかにされている。その成 ゴリス収集のための掘削が想定されるため，表面分は表-2 に示す通りである。地球上の鉱物に比べ， の耐摩耗性が保たれるのであれば，超硬金属であ
酸化鉄，酸化カルシウム，酸化マグネシウムそし る必要はないと考えられる。実際に行われているて酸化チタンが多く存在する 2)。
月面掘削関連の既往研究 3）4）5）において，アルミ
レゴリスシミュラント（月面模擬土）とは，月 ニウムとステンレスが用いられているため，本研
面の土壤であるレゴリスの組成をもとにして地球 究においてもこれを用いることとした。
上の鉱物資源で人工的に作った模擬土のことであ ① アルミニウム（A1050）
る。100 倍に拡大したレゴリスシミュラントを図
アルミニウムは，日常使う身近な製品にも多く-1 に示す。その成分は，レゴリスには含まれない 使われている。１つの特徴は比重の軽さである。
酸化鉄Ⅲ（Fe2O3）を 5%弱含んでいる（表-2）。 アルミニウムの使用によって，他の金属を使うよ
レゴリス及びレゴリスシミュラント共に，地球 りも重量を抑えることが出来る。同時に十分な強の砂と比較して非常に細かく粒も尖っているため， 度も得ることが可能である。また，耐食性にも優
摺動接触に与える影響も大きいと考えられる。
れ，低温特性も備えている。液体窒素（-196℃）
や液体酸素（-183℃）中でも脆性破壊を起こさず靭性が大きい。そのため，夜の平均気温が-150℃にもなる月面上での使用にも耐えうることが期待できる。
本研究では，アルミニウムを 99.5%以上含む，
純度と強度とを適度に備えた A1050 のアルミニウ
ムを用いた。用いた試料のビッカース硬度は HV＝25.6 である。
② ステンレス（SUS430）
図-1 レゴリスシミュラントステンレスは，強度や耐摩耗性に優れており，
地球上の建設機械のバケットの部分にもよく使わ
表-2 レゴリス及びシミュラントの組成れる材料である。
成分
シミュラントApollo 11
また，掘削の前段階でセンシングを行う必要があるが，探査の段階では各種の鉱物や揮発性物質
SiO2
42.20
49.14
を観測するため，観測対象となるアルミニウムや
TiO2
7.80
1.91
チタン，鉄などを含む材料の使用ができない場合
Al2O3
13.60
16.23
がある。このような場合，アルミニウム以外の金
Cr2O3
0.30
0.00
属の使用を検討する場合，ステンレス使用の必要性が出てくる。ただし，ステンレスは鉄（Fe）を
FeO
15.30
7.50
ベースにクロム（Cr）やニッケル（Ni）を加えて
―
Fe2O3
4.77
作られた合金であることに注意を要する。
MnO
0.20
0.19
本研究では，ステンレスとして一般的な SUS304
MgO
7.80
3.84
ではなく，これよりも安価だが耐食性が劣る
CaO
11.90
9.13
SUS430 を使用した。月面環境では，酸素がないた
め耐食性はあまり意味を成さない可能性がある。
Na2O
0.47
2.75
また，SUS430 は熱膨張率が小さいという利点があ
K2 O
0.16
1.01
るので，温度変化の大きい月面では有利であると
P2O5
0.05
0.44
考えられる。さらに，センシング技術のことも含
S
0.12
0.00
めると，なるべく少ない元素からなる材料を用いることが重要であるため，ニッケルを含まない
0.00
0.43
H2 O
SUS430 は適しているといえる。用いた試料のビッ
Total
99.90
98.14
カース硬度は HV＝104.4 である。

- 70 -

(3)標準砂
レゴリスシミュラントとの比較のために標準砂も実験試料として用いた。
本研究では，JIS A 1214 に規定されている砂置換法による土の密度試験に用いる砂，豊浦標準砂を使用した。主な化学物質の割合を示すと，SiO2：
92.6％，Al2O3：3.7％，Fe2O3：0.7％，CaO：0.5％，
MgO：0.2％である。
3.2 試験機器(1) 摺動装置
摺動接触とは，物体同士を滑らせることにより接触させ，摩耗発生を促すものである。本実験ではスライダークランク機構を用いて再現する。スライダークランク機構とは，図-2 に示すように，回転運動を直線運動に変える機構である。モーターによって右の円盤が回転し，単棒で接続された金属試料が左右に移動する仕組みになっている。

3.3 試験条件
試験は，雰囲気条件，金属試料，接触土砂の 3種類を変更し，それぞれの組み合わせについて試験を行った。雰囲気条件は大気中及び真空中，金属試料はアルミニウム及びステンレス，接触土砂
はレゴリスシミュラント及び標準砂である。
測定するデータは，金属試料の摺動前後の質量差とした。この質量の減少量をもとの金属試料の質量に対する百分率で表したものを摩耗量とした。
質量を測定する電子天秤の感量は 10-4g である。また，金属反射顕微鏡によって，金属試料の表面の様子も観察した。
摺動時間は，真空中で連続的に 10 分，20 分，30
分，40 分，50 分，60 分，120 分間摺動させる。これにより，質量測定の際に大気に触れる影響を除
外し，各時間摺動接触した後の摩耗量を計測することができる。ただし，試験が終了し質量を測定する際には大気に触れることを避けられない。
４．結果及び考察
本実験の真空中での試験結果を以下の図-4 及び図-5 に示す。

図-2

スライダークランク機構(2)真空チャンバ
月面環境の再現の上で重要なのが，真空雰囲気である。この真空中での挙動を調べることが重要になるが，これを真空チャンバ（図-3）の中に再現する。摺動装置を真空チャンバ内に設置し，コンプレッサーによって空気抜きを行い，1/3600 気
圧まで減圧する。以下，この状態を真空状態として試験を行った。

図-3

真空チャンバ- 71 -

図-4

アルミニウムの結果

図-5

ステンレスの結果

横軸に摺動時間を，縦軸に摩耗量をとっており， ど，質量の増加量は少なくなっている。また，ア
プロット点 1 つに対して 1 つの供試体が対応する。 ルミニウム及びステンレス共に，標準砂よりもレゴリスシミュラントの方が見かけ質量の増加が大この 2 つの結果はいずれも摩耗量がマイナスになきい。このことから，表面の硬さと粒の大きさやっている。これはつまり，質量が見かけ上増加し形状が摺動接触時の付着に影響する要因であり，たことを示している。アルミニウムでは質量比-3-3
表面が柔らかいほど，土砂の粒が小さいほど付着
48.8×10 %，正味質量で 9.7×10 g の増加，ステが発生しやすいと考えられる。
ンレスでは質量比 6.6×10-3%，正味質量で 2.0×
-3
さらに，両金属ともに摺動時間が長くなれば，
10 g の増加となっている。
測定質量の予測が困難になっていく可能性がある。
土砂と金属を摺動させて摩耗現象を再現してい摺動接触によって金属試料表面で摩耗や付着が複るにも関わらず，見かけ上質量が増加している。
雑に発生しているためと考えられ，摩耗量や付着
これは，金属試料の表面に土砂が付着していると量の計測はその質量によっては測定できないと考考えることで説明できる。
えられる。
図-6 は雰囲気条件が真空中のアルミニウムの 30
本研究で行った摺動接触は，金属試料の自重の分間摺動後の金属表面であり，図-7 は同条件でのみで生じる圧力での接触である。この圧力は両金
ステンレスの 40 分間摺動後の金属表面である（倍属とも 100Pa 以下で，摺動条件としてはかなり小率は共に 100 倍）。白くなっている部分が金属のさい圧力である。
もとの表面であり，黒くなった部分が摩耗の生じた部分である。両金属ともに，この黒くなった部
分にレゴリスシミュラントの付着が確認された。 ５．結論
レゴリスシミュラントと金属材料の真空中摺動場面の実験から，以下の結論を得た。
① 雰囲気条件が真空で，土砂がレゴリスシミュラ
ントの条件で，かつ接触圧が小さい場合には金属に土砂が付着する可能性がある。
② 真空中であっても，表面硬度や土砂の形状が摺動接触に影響を及ぼす要因になりうる。
③ 摩耗量を質量で判定する場合，付着による見かけ質量の増加の影響があることに留意しなけ
ればならない。
本実験では，レゴリスシミュラントを用いたが，図-6 真空中アルミニウム 30 分摺動後
実際のレゴリスには含まれない Fe2O3 が含まれていることに留意する必要がある。
今後，摩耗を卓越させるために大きな接触圧力の条件下で摺動接触を行った場合，付着と摩耗の関係を検討しなければならない。
参考文献
1) 月資源利用研究会：月資源利用ワークショップ--技術の現状と可能性--，2006
2) H.Kanamori,

K.Matsui,A.Miyahara,

andS.Aoki ：Development of New Lunar Soil Simulants in Japan,2006
3) 安田進，小松敬治：D3 反力トルクを使用したレゴリス
図-7

掘削機構の研究，日本機械学会第 18 回スペース・エン

真空中ステンレス 40 分摺動後ジニアリング・コンファレンス講演論文集 pp.75-79，
2010
試験終了後，金属試料を摺動装置から取り外し，表面の土砂払拭を行っているが，この除去作業で 4) 矢田剛之，大森隼人，中村太郎：月面での地震計設置の た め の 蠕 動 運 動 型 掘 削 ロ ボ ッ ト の 開 発 ， JSMEは取り除けない付着が発生しているといえる。
Conference on Robotics and Mechatronics, 2008
アルミニウムとステンレスを比較すると，アルミニウムの方が見かけ質量の増加量が大きい。表 5) 居相政史：リッパによる月レゴリス掘削の効率化，日本機械学会第 19 回スペース・エンジニアリング・コン
面硬度は，ビッカース硬度でステンレスがアルミ
ファレンス講演論文集，2010
ニウムの約 4 倍硬い。つまり，表面硬度が硬いほ- 72 -

19．舗装工の追加転圧における振動タイヤローラの適用－25ton タイヤローラと 9ton 振動タイヤローラの比較－

酒井重工業㈱技術開発部 ○眞壁 淳
酒井重工業㈱技術開発部 内山 恵一㈱高速道路総合技術研究所 舗装研究室 加藤 亮

よう，1 層の仕上がり厚さを 9～10cm として 4t 級
振動ローラで締固め，NEXCO が定める品質管理基準（以下，「品質管理基準」）である締固め度 90%
以上 3)，加えて現場 CBR60±5%で管理した。次に，上部路床 1，2 層は，現場の施工方法を参考に，12t級土工用振動ローラ（以下，「12t 振動ローラ」）で締固め，文献 3)の品質管理基準である締固め度
95%以上およびタンデム車によるたわみ量 5mm 以下で管理した。この後，『土木工事共通仕様書』に記された 2 種類の追加転圧方法，すなわち 10cm かき起こしの有無について 25t タイヤおよび 9t 振動
タイヤを用いた追加転圧に関する比較試験を実施した。
2.1.1 室内試験用土の性状
土質は，「細粒分質礫質砂（SGF）」に分類された茨城県笠間産山砂（以下，山砂）で，文献 3)の「盛土工の材料基準」に適合している。表-1 に，室内試験用土の土質試験結果を示す。試験時の含水比は，上部路床 1，2 層を構築する際は 12t 振動
ローラの締固めエネルギーを考慮して，最適含水比より乾燥側の 8%を，10cm かき起こしの際は 25t
タイヤおよび 9t 振動タイヤの締固めエネルギーを考慮して，かき起こした 10cm 分の室内試験用土を２．締固め試験方法
最適含水比より湿潤側の 10%を目標に調整した。
2.1 室内試験の概要
2.1.2 締固め機械仕様
コンクリートピットと試験の概要を図-1 に示す。
試験に用いた 12t 振動ローラ，25t タイヤおよびコンクリートピットは，全長 20m，試験区間 15m，9t 振動タイヤの概略仕様を表-2 に示す。
幅 3m，深さ 95cm である。はじめに，たわみ測定
2.1.3 締固め条件用荷重車の進入を考慮し，上部路床 1，2 層（仕上10cm かき起こし無しの場合，上部路床 2 層目をり厚 15cm×2）を構築した際の全層厚が 95cm にな
構築後，追加転圧として 25t タイヤおよび 9t 振動
るよう，砂質ロームを用いた厚さ 65cm の下部路床タイヤで 4 回（2 往復）締固めた。
を構築した。下部路床は，十分な地盤剛性となる10cm かき起こし有りの場合，かき起こし無しの試験終了後，締固め面から深さ 10cm をかき起こし，追加転圧として 25t タイヤおよび 9t 振動タイヤで16 回（8 往復）締固めた。締固め速度は，各締固め機械ともに約 2km/h である。
2.1.4 評価および測定項目
品質管理基準は，文献 4)の突砂法による締固め
度
95%以上およびタンデム車によるたわみ量 5mm
図-1 室内締固め試験概要

１．はじめに東日本高速道路㈱，中日本高速道路㈱，および西日本高速道路㈱の『土木工事共通仕様書』1)に記されている舗装工において，路盤準備工および粒状路盤工の追加転圧に使用する機械は，質量 25ton
以上のタイヤローラ（以下，「25t タイヤ」）と定められている。しかしながら，近年，稼動可能な 25t
タイヤは市場から減少しつつあり，施工現場では調達困難な状況となっている。
9t 級振動タイヤローラ（以下，「9t 振動タイヤ」）
は，加熱アスファルト混合物や粒状路盤材を用いた締固め試験において 25t タイヤと比較された結果，同等の締固め効果が報告されている 2)。このことから，筆者らは舗装工の追加転圧にも 9t 振動
タイヤが適用可能と考えた。
本論文では，舗装工の追加転圧において，9t 振動タイヤが 25t タイヤと同等かそれ以上の締固め
効果を有し，かつ，品質管理基準を満足することが可能であるか確認することを目的に，実施工方法を参考にして実施した室内および現場締固め試
験の結果について記述する。

- 73 -

表-1

室内試験用土の土質試験結果

試験用土
最適含水比（E 法） [%]最大乾燥密度（E 法） [g/cm3]
土粒子密度 [g/cm3]
最大粒径 [mm]

表-2
機種
運転質量
[kg]
前軸質量
[kg]
後軸質量
[kg]
締固め幅
[mm]
軸距
[mm]
起振力
[kN]
振動数
[vpm]
タイヤ[本]
径×幅[mm]
空気圧
[kPa]

表-3

山砂
9.0
2.032
2.647
9.5

現場試験用土の土質試験結果

試験用土
最適含水比（E 法） [%]最大乾燥密度（E 法） [g/cm3]
土粒子密度 [g/cm3]
最大粒径 [mm]表-4

締固め機械仕様概略（室内締固め試験）
12t
振動ローラ

25t
タイヤ

9t
振動タイヤ

12,61025,050

9,000

7,070

10,620

3,860

5,540

14,430

5,140

2,130

2,085

1,950

2,970

4,100

3,000

255

-

前:45.1
後:58.4

1,700

-

2,400

-

前:3，後:4
1,110×314

前:3，後:4
970×370

-

539

441

切込砕石
5.9
2.207
2.690
53.0

締固め機械仕様概略（現場締固め試験）
締固め機械
運転質量
[kg]
前軸質量
[kg]
後軸質量
[kg]
締固め幅
[mm]
軸距
[mm]

9t
マカダム
8,770
4,460
4,310
2,100
3,300

2.2.2 締固め機械仕様試験に用いた 9t 級マカダムローラ（以下，「9tマカダム」）の概略仕様を表-4 に示す。25t タイヤと 9t 振動タイヤは，室内試験と同様である。
2.2.3 締固め条件
締固め方法は，現場の施工方法に従い，10cm かき起こし後に 9t マカダムを用いて 6 回（3 往復），
次に，25t タイヤおよび 9t 振動タイヤを用いて 10回（5 往復）締固めた。締固め速度は，9t マカダム
で約 3km/h，25t タイヤおよび 9t 振動タイヤで約4km/h であった。
2.2.4 評価および測定項目
品質管理基準は，室内試験と同様に締固め度およびたわみ量である。その他，小型 FWD による
KP.FWD を同時に測定した。

３．締固め試験結果と考察
3.1 室内締固め試験
以下である。その他，締固め効果を総合的に判断
図-3 に 10cm かき起こし無しの場合の締固め回するため，現場 CBR および小型 FWD による KP･FWD 数と締固め度の関係を示す。図中の P2’は，試験用も同時に測定した。なお，KP.FWD は，載荷板直径 土撒き出し後の初期状態を一定にする目的で，4t
30cm 相当に補正した K 値（支持力係数）である。 級ローラで無振動 2 回の締固めを示す。12t 振動ロ
2.2 現場試験の概要
ーラで 12 回締固め後（P12）の締固め度が 102.1%
試験工区と現場試験の概要を図-2 に示す。現場 であったのに対し，25t タイヤで 4 回の追加転圧後締固め試験では，路床工事が完了した区間の一部 （P16）は 102.5%，9t 振動タイヤで 4 回の追加転に二つの試験工区を設け，文献 1)に記された 10cm 圧後（P16）は 102.3%であり，追加転圧による変かき起こし有りの場合について，25t タイヤおよび 化はなかった。これは，25t タイヤおよび 9t 振動
9t 振動タイヤを用いた追加転圧に関する比較試験 タイヤの締固めエネルギーが 12t 振動ローラに対を実施した。
して小さいためと考える。表-5 は，たわみ量の測2.2.1 現場試験用土の性状定結果を示す。25t タイヤと 9t 振動タイヤの差は
土質は，「砂質礫（GS）」に分類された切込砕石 0.1mm 未満で，同等の結果であった。図-4 およびで，文献 3)の「盛土工の材料基準」に適合してい 図-5 は，締固め回数と現場 CBR および KP.FWD の関る。表-3 に，現場試験用土の土質試験結果を示す。 係を示す。図-4 では，12t 振動ローラで 12 回締固
含水比条件は，現場試験用土が乾燥状態にあった め後（P12）の現場 CBR が 71.0%であったのに対ことから，かき起こした後に試験工区へ散水を行 し，25t タイヤで 4 回の追加転圧後（P16）は 83.5%，った。
9t 振動タイヤで 4 回の追加転圧後（P16）は 79.3%
図-2

現場締固め試験概要- 74 -

に増加した。また，図-5 においても，12t 振動ロー
ラで 12 回締固め後（P12）の KP.FWD が 330MN/m3であったのに対し，25t タイヤで 4 回の追加転圧後（P16）は 413MN/m3，9t 振動タイヤで 4 回の追加
転圧後（P16）は 407MN/m3 に増加した。このことは，横田らによって 25t タイヤについて報告されており 5)，追加転圧後の現場 CBR および KP.FWD が 25t
タイヤと 9t 振動タイヤで同等であることから，9t
振動タイヤにも 25t タイヤと同等に地盤剛性を増加させる効果があると，今回新たに確認された。

図-6 に 10cm かき起こし有りの場合の締固め回
数と締固め度の関係を示す。25t タイヤで 16 回締固め後（P16）の締固め度は 94.8%，9t 振動タイヤ
で 16 回締固め後（P16）は 97.0%であり，2～8 回締固め後（P2～8）の結果と併せても 9t 振動タイ
ヤは 25t タイヤと同等で，かつ品質管理基準である95%以上を満足することが確認された。表-6 は，たわみ量の測定結果を示す。25t タイヤと 9t 振動
タイヤは品質管理基準である 5mm 以下を十分に満足しており，両締固め機械の差も 0.1mm 未満で
130

120

： 12 t 振動ローラ： 25 t タイヤ： 9t 振動タイヤ

110

上部路床 2 層目構築時転圧

100

追加転圧

E 法 9 5%90
80
70

： 25 t タイヤ： 9t 振動タイヤ

120

締 固 め 度 (%)

締 固 め 度 (%)

130

110
100

追加転圧
E 法 9 5%9080(0) 2'

2

4

8

12

70

16

(0) 2'

2

締 固 め 回 数 P（ 回 ）

4

8

12

16

締 固 め 回 数 P（ 回 ）図-3 山砂における締固め回数と締固め度の関係（10cm かき起こし無し，平均含水比 7.7%）

図-6 山砂における締固め回数と締固め度の関係（10cm かき起こし有り，平均含水比 8.9%）

表-5 山砂におけるたわみ量測定結果（10cm かき起こし無し，平均含水比 7.7%）

表-6 山砂におけるたわみ量測定結果（10cm かき起こし有り，平均含水比 8.9%）

締固め回数
締固め機械
たわみ量[mm]

1212t 振動ローラ
1.10

1625t タイヤ
0.96

160

120
100

上部路床 2 層目構築時転圧

140

現 場 CBR ( ％ )140

現 場 CBR ( ％ )25t タイヤ
1.17

追加転圧

80
60

80
60
40
20

2

4

8

0

16

12

追加転圧

100

20
(0) 2'： 25t タイヤ
： 9t 振動タイヤ

120

40

(0) 2'

2

締 固 め 回 数 P（ 回 ）

8

12

16

図-7 山砂における締固め回数と現場 CBR の関係（10cm かき起こし有り，平均含水比 8.9%）
800

600

： 12t 振動ローラ： 25t タイヤ
： 9t 振動タイヤ

500

上部路床 2 層目構築時転圧

700

K P ･ F W D (MN /m 3 )800
K P ･ F W D (MN /m 3 )4

締 固 め 回 数 P（ 回 ）図-4 山砂における締固め回数と現場 CBR の関係（10cm かき起こし無し，平均含水比 7.7%）

追加転圧

400
300

700

400
300
200
100

2

4

8

12

0

16

締 固 め 回 数 P（ 回 ）

追加転圧

500

100
(0) 2'： 25t タイヤ
： 9t 振動タイヤ

600

200

0

9t 振動タイヤ
1.26

160： 12 t 振動ローラ： 25 t タイヤ： 9t 振動タイヤ

0

16

締固め回数
締固め機械
たわみ量[mm]9t 振動タイヤ
1.03(0) 2'

2

4

8

12

16

締 固 め 回 数 P（ 回 ）図-5 山砂における締固め回数と KP･FWD の関係（10cm かき起こし無し，平均含水比 7.7%）

図-8 山砂における締固め回数と KP･FWD の関係（10cm かき起こし有り，平均含水比 8.9%）- 75 -

締 固 め 度 (%)

同等の結果であった。図-7 および図-8 は，締固め イヤおよび 9t 振動タイヤは，10 回の締固め後（P16）
回数と現場 CBR および KP.FWD の関係を示す。図-7 に品質管理基準を満足し，その差は締固め度 1%未において，25t タイヤで 16 回締固め後（P16）の現 満で同等の結果であった。表-7 に，たわみ量の測場 CBR は 22.6%，9t 振動タイヤで 16 回締固め後 定結果を示す。締固め度と同様に，両締固め機械（P16）は 34.4%であり，8 回締固め後（P8）の結 ともに品質管理基準は十分に満たしているが，25t
果と併せて 9t 振動タイヤが約 10%高い結果となっ タイヤで締固め後のたわみ量が 1.45mm であるのた。図-8 においては，25t タイヤで 16 回締固め後 に対し，9t 振動タイヤで締固め後は 1.09mm であ（P16）の KP.FWD は 231MN/m3，9t 振動タイヤで 16 り，9t 振動タイヤの方が良好な結果となった。
図-10 に，締固め回数と KP.FWD の関係を示す。25t
回締固め後（P16）は 245MN/m3 であり，2～8 回締固め後（P2～8）の結果と併せても 9t 振動タイヤ タ イ ヤ で 10 回 締 固 め 後 （ P16 ） の KP.FWD はは 25t タイヤと同等であった。これらの結果から， 379MN/m3，9t 振動タイヤで 10 回締固め後（P16）
室内試験では，9t 振動タイヤの締固め効果は，25t は 509MN/m3 であり，9t 振動タイヤの方が大きい
タイヤと同等かそれ以上であることが確認された。 結果となった。しかし，9t マカダムで 6 回締固め
3.2 現場締固め試験後（P6）の工区 1 および 2 で同様の差が生じてい図-9 は，締固め回数と締固め度の関係を示す。 ることから，締固め以前の初期状態が異なってい工区 1 では，9t マカダムで 6 回締固め後（P6）の たと考えられる。その要因には，かき起こし厚，
締固め度が 94.5%であったのに対し，25t タイヤで 含水比および施工完了時点の地盤剛性の違いが挙10 回締固め後（P16）は 96.2%となった。また，工 げられる。現場試験では，9t 振動タイヤが 25t タ
区 2 では，9t マカダムで 6 回締固め後（P6）の締 イヤと同様に，締固め度およびたわみ量の品質管
固め度が 92.2%であったのに対し，9t 振動タイヤ 理基準を満たすことが確認された。
で 10 回締固め後（P16）は 96.8%となった。25t タ
４．まとめ
130
舗装工の追加転圧において，9t 振動タイヤが 25t
タイヤと同等かそれ以上の締固め効果を有し，か： 9t マカダム 6 回 + 2 5 t タイヤ 1 0 回（工区 1 ）120： 9t マカダム 6 回 + 9 t 振動タイヤ 10 回（工区 2 ）つ，品質管理基準を満足することが可能であるか
110
通常転圧
追加転圧
確認することを目的に室内および現場締固め試験
100 E 法 9 5%を実施した。これらの試験から得られた結論は，以下の通りである。
90①舗装工の追加転圧において，9t 振動タイヤは，
80
25t タイヤと比較して同等かそれ以上の締固め
70
効果があり，品質管理基準を満足することが可
0
2
4
8
12
16
締 固 め 回 数 P（ 回 ）能である。
図-9 切込砕石における締固め回数と締固め度の関係②9t 振動タイヤは，12t 振動ローラで締固め後の追（10cm かき起こし有り，平均含水比 2.2～2.9%）
加転圧に用いることで，25t タイヤと同等にたわ
み量ならびに地盤剛性を増加させる効果がある。
表-7 切込砕石におけるたわみ量測定結果（10cm かき起こし有り，平均含水比 2.2～2.9%）
16

締固め回数
工区
締固め機械
たわみ量[mm]1
25t タイヤ
1.45

参考文献
1) 東日本高速道路株式会社：土木工事共通仕様書，pp.13-229t 振動タイヤ
1.09～13-6, 2012
2) Y. Nose・Y. Kanamori・K. Uchiyama・J. Makabe・K.
Shiogama ・ K. Doi ： Vibratory Pneumatic Tire Roller ，K P ･ F W D (MN /m 3 )

800
700

Proceeding of the 15th International Conference of the ISTVS，： 9t マカダム 6 回 + 2 5 t タイヤ 1 0 回（工区 1 ）： 9t マカダム 6 回 + 9 t 振動タイヤ 10 回（工区 2 ）600

September 25 to 29，3B01, 2005

500

3) 東日本高速道路株式会社，中日本高速道路株式会社，西400

日本高速道路株式会社：土工施工管理要領，pp.2-3～2-10,

300
通常転圧

200

追加転圧

100
0

0

2

4

8

12

16

締 固 め 回 数 P（ 回 ）図-10 切込砕石における締固め回数と KP･FWD の関係（10cm かき起こし有り，平均含水比 2.2～2.9%）

pp.2-42～2-43, 20124) 東日本高速道路株式会社，中日本高速道路株式会社，西日 本 高 速 道 路 株 式 会 社 ： 舗 装 施 工 管 理 要 領 ,pp.22 ～24.20135) 横田聖哉・益村公人・石黒健・藤山哲雄：道路路床における施工管理の合理化に関する考察-（その2）タイヤローラによる追加転圧効果-，第37回地盤工学研究発表会，
pp.1325～1326, 2002

- 76 -

20．配筋自動判定システムの開発

株式会社大林組

１．はじめに鉄筋コンクリート造建物の主要構造部材である鉄筋に関する施工ミスや検査ミスが後を絶たない。その結果，発注者から配筋検査体制の強化が求められ，施工者側は配筋検査の全箇所全数記
録化などで対応している。しかし，部位（柱，梁，スラブ，壁ほか）や場所，方向，階によって配筋はすべて異なるため，配筋検査の全箇所全数記録化は多くの手間が掛かる。そこで，配筋検査の報告書作成や配筋写真の整理などの業務を効率良く行うため，配筋検査を支援するシステムが開発された。その結果，配筋検査の業務効率は大幅に向上し，記録ミスなどを低減できた 1)。
さらに，配筋状態（鉄筋本数，径，ピッチなど）を自動計測および判定できるシステムを開発した。本システムは，市販のデジタルカメラで撮影した配筋写真に画像処理技術を適用すると配筋状態を自動的に計測および判定できる。
本報では，開発したシステムの内容，建築現場での検証実験について報告する。
２．現状の配筋検査の課題
建築工事の配筋検査時に撮影される配筋写真の一例を図-1 に示す。同図は 2 方向の柱筋を 1方向から撮影した配筋写真である。検査対象の主
筋とせん断補強筋を径ごとに異なる色のカラーチューブで巻き，配筋ピッチを確認しやすくする
ため検測用ロッドやリボンロッドをセットして，検査場所や配筋要領を書き込んだ黒板を含めて配筋写真を撮影している。通常，柱 1 本あたり 1～2 枚，梁 1 本あたり 3 枚（端部 2 枚，中央 1 枚），
スラブや壁は代表的な箇所を 1 枚，開口補強や端部定着部などの特別な箇所は各 1 枚撮影する。検
査終了後，事務所へ戻り，膨大な数量の配筋写真
を検査箇所ごとに振り分け，写真帳にまとめて監理者へ提出する。プロジェクトごとに提出書類や配筋写真の内容に差異はあるが，配筋検査は多くの手間を要する管理業務である。躯体工事期間中の管理業務の比率を工種別にヒアリング調査し○ 池田 雄一
坂上 肇
浜田 耕史

た結果，鉄筋工事に関する業務が約 1/4 を占めていたという報告もあり，その内訳の半分以上が品質管理業務だった。
全箇所全数記録の配筋検査は，検査箇所が非常に多く，配筋要領が場所ごとにすべて異なる。その結果，万が一の確率で起こる可能性のある施工
ミスの見落としや検査場所そのものを間違えるといったヒューマンエラーが生じる可能性を秘めている。
３．配筋自動判定システムの基本設計
3.1 開発コンセプト
配筋検査時に鉄筋工事の施工ミスを確実に検出し，検査精度を大幅に向上させるため，配筋状態を正確に計測し，合否を判定できるシステムの開発に着手した。開発コンセプトを以下に示す。
①現状の配筋検査スタイルの踏襲・維持②ハンズフリーとなるシンプルな機器構成③鉄筋径を正確に判別するミリ単位の精度④計測結果がその場でわかるリアルタイム性
3.2 計測手法の選定
計測用機器として，現状の配筋検査で利用しているデジタルカメラの他，カメラレンズを 2 つ持
つステレオカメラと製造業で利用されている小型の 3 次元スキャナーの諸性能を比較検証した。

- 77 -

図-1

配筋検査写真例

比較結果を表-1 に示す。
ステレオカメラは，左右の画像の視差から奥行
き方向を含めた 3 次元情報を得ることができ，自動車の衝突防止機能を含む運転支援システム等に組み込まれている。撮影面内の計測精度は画素数（解像度）に依存し，奥行き方向の計測精度はカメラレンズ間距離（基線長）に依存する。最近，
図-2 左に示すような小型ステレオカメラが市販されているが，基線長は 100mm 以下と短いため，奥行き精度はセンチ単位以上となってしまう。ミ
リ単位の精度を要求するとステレオカメラの基
線長は 2ｍを超え，装置が大型化して工事現場内で携帯するには非現実的な大きさとなる。
図-2 右に示す 3 次元スキャナーは，製造業のリバースエンジニアリング向けに開発されたハンディ式である 2)。3 次元スキャナーでは，得られた 3 次元点群データから鉄筋のみを抽出し，各種計測作業が事務所での後処理となること，赤外線を使用するタイプであると屋外で安定して使用できないこと，配筋検査用の写真を別に撮影しなければならないことなどの理由から，運用は困難であると判断した。以上の結果，携帯性・計測
精度・リアルタイム性などを重視して計測用機器にデジタルカメラを選定した。
3.3 課題の抽出
デジタルカメラによる配筋検査写真に対して
画像処理技術を適用して寸法を計測する場合，以下の課題を解決する必要があった。
①屋外環境下での画像処理技術の適用②鉄筋径の実測結果からの径の特定方法③確実に鉄筋のみを抽出するための補助策(1) 屋外環境下での画像処理技術の適用
画像処理技術は，製造業における工場内の生産ラインに設置する視覚センサーとして利用が進展してきた。屋内では，高速にコンベア上を移動する部品を瞬時に判別できる。屋外での利用については，道路のセンターラインの把握，車のナン
バー認識といった平面的で定型的なものに限られている。立体的な形状を有する異形鉄筋を屋外で精密に計測するには多くの課題があった。
(2) 鉄筋径の実測結果からの径の特定方法
異形鉄筋では配筋された鉄筋の向きによって，画像処理の計測結果が異なる。異形鉄筋の中で最も主流である竹ふし鉄筋の正面写真を図-3 に示す。同図(a)のようにリブが左右端にある状態（以下，リブがち）と同図(b)のようにリブが左右端以外にある状態（以下，ふしがち）では，同じ径の鉄筋でも計測結果が大きく異なる。上記から鉄筋の向きによって，径を正しく特定できない可能性がある。また，竹ふし鉄筋の次に利用が多いね
じふし鉄筋の形状を図-4 に示す。同図から，二方向のねじ部をカットした楕円形状をしている

ことがわかる。したがって，ねじふし鉄筋も撮影する方向によって大きく断面形状が異なるため，
径を正しく特定できない可能性がある。
４．画像処理による計測と課題の解決
4.1 画像処理による鉄筋の計測
画像処理を適用した計測は，対象（鉄筋）の抽出と抽出された対象の面積や長さの計測の大き
く 2 つの内容に分かれる。計測対象の抽出には，
通常，各画素の輝度値に応じた 2 値化が利用される。計測対象の面積や長さの計測では，写真の画
素数をカウントし，実空間上の寸法に変換する。
画像処理による計測概要を図-5 に示す。
デジタルカメラは単眼であり，奥行き方向の距離情報が得られないため，径の自明な丸形マーカーを利用してカメラからの距離を算出した。
丸形マーカーはデジタルカメラと正対しなくと- 78 -

表-1

計測手法の比較結果

デジタルカメラステレオカメラ

3次元スキャナー

コスト

◎

◎～△

◎～×

大きさ・携帯性

◎

◎～△

○or△

簡便性

◎

◎～△

○or△

計測精度

◎or○

◎～△

○or△

リアルタイム性◎○△

3次元モデル化

△

○

◎

総合評価

◎

○

△

図-2

ステレオカメラと 3 次元スキャナー(a)リブがち

図-3(b)ふしがち竹ふし鉄筋の向きによる径の違い

B 寸法：リブがちの直径（最大＝最小）
C 寸法：ふしがちの最小直径

図-4

ねじふし鉄筋の形状

も，画像上で見掛けの最大径（楕円の長径）を
近年，柱・梁の主筋（特に太径）を中心に機械算出できる。配筋写真から計測対象の鉄筋のみ 式継手が採用され，それに伴いねじふし鉄筋の利を確実に抽出するため，鉄筋背後に白色帯状の 用が増えてきた。ねじふし鉄筋は竹ふし鉄筋と形
背景をセットした。マーカーを背景上に 2 個セ 状がまったく異なり，竹ふし鉄筋の鉄筋径判定フ
ットすると，デジタルカメラ－マーカー間（ L1 ， ローではその径を特定できない。ねじふし鉄筋のL2 ）とマーカ-マーカー間（L3 ）を 3 辺とする三 断面の特徴に着目し，最小直径から径を判定する角形から，デジタルカメラ位置に対する鉄筋位 専用のフローを考案した。鉄筋メーカー3 社製の置の 3 次元座標が求められる。鉄筋径はデジタ ねじふし鉄筋を実測したところ，各径の実測値のルカメラとの距離およびマーカーとの大きさの 範囲は重複しないことがわかった。本フローによ比から，ピッチは隣同士の鉄筋の位置座標値か り一意にねじふし鉄筋の径が特定可能である。
ら，それぞれ求められる。
4.2 屋外での画像処理による鉄筋抽出
鉄筋
屋外環境下でも鉄筋を正確に抽出するために，
算出
算出
算出
算出
各種の鉄筋抽出アルゴリズムについて検証した
L3 ：算出背景
結果を図-6 に示す。まず，設定した小領域内で算出された相対的な閾値で入力画像ⅰを 2 値化
マーカーする手法（局所 2 値化）によって抽出を試みたが，算出
算出
同図ⅱのように影を鉄筋と誤認識した。そこで，
算出
影の影響を低減するため，ストロボ撮影をしたところ，同図ⅲのような 2 値化画像を得た。そこで，
L1 ：算出
L2 ：算出
輝度値がほぼ一定の領域に分割し，その領域ごとに 3 つの領域（背景，影，鉄筋）に区分するアルデジタルカメラゴリズムを考案し，検証した。その結果，同図ⅳ
・マーカー径 Mr mmは既知のように鉄筋（赤色部分）と影を明確に区分する・マーカーの画像上での最大径は Mp pixcel
ことができた。この画像処理アルゴリズムをシス・マーカーまでの距離 L 1 mm，計測対象の鉄筋までの距離 Lt mm
テムに実装した。
・計測対象の画像上の鉄筋径 Tp pixcel
・実際の鉄筋径 Tr = Tp × Mr × Lt / (Mp × L 1 )4.3 鉄筋径の補正
図-5 画像処理の計測概要
撮影場所と撮影対象の配筋の位置関係から，斜めからの撮影を余儀なくされるケースがある。ま ⅰ 背景上の原画像（径の異なる鉄筋６本）
影
鉄
た，撮影対象の幅が広い場合，端部の鉄筋は必然
背
背鉄
背 鉄
背
鉄
鉄
鉄
影
影
影 背筋
影
景
景筋
景 筋
景
筋
筋
筋
景 影
的に斜めからの撮影と同等の撮影角度になる。こⅱ
２値化画像（通常撮影）：鉄筋と影を区別できないの場合，図-7 のように背景への投影幅が本来の鉄筋径より拡大される。この現象は，端部の鉄筋において顕著であり，特に太径鉄筋では，まれにⅲ ２値化画像（フラッシュ撮影）：フラッシュにより鉄筋が細くなる
鉄筋径を誤判定するケースが生じた。そこで，斜めに撮影された鉄筋に対して，正面からの撮影と同様の計測値となるような補正を行った。
ⅳ 影を考慮した抽出手法（３領域化）：鉄筋のみを抽出（赤色部分）
鉄
4.4 鉄筋径判定手法の考案
鉄
鉄
鉄
鉄
鉄
筋
筋
筋
筋
筋
筋
竹ふし鉄筋では，各径のすべての向きで実測した鉄筋径の範囲と画像処理で算出した鉄筋径の図-6 鉄筋を抽出する画像処理手法の比較
軸方向分布における最大値（以下，最大直径）と背景※当図は配筋断面を表すを比較して，鉄筋径を特定する手法を考案した。
ただし，実測した鉄筋径の範囲は，上位と下位の拡大径で重複する領域（以下，重複領域）が生じるた
め，鉄筋径の軸方向分布における最小値（以下，
背景に投射された鉄筋径
背景最小直径）を算出し，最大直径との差分（＝ふしの高さ）を計算した。差分がふしの高さと等しい
実際の鉄筋径場合は，ふしがちと判断して上位の径と特定する。
等しくない場合は，下位の径と特定する。なお，
撮影場所の方向
各鉄筋径の実測値は鉄筋メーカー3 社製の鉄筋
撮影場所
から，ふしの高さの範囲は JIS G 3112：2010（鉄図-7 端部の鉄筋径の補正概念
筋コンクリート用棒鋼）から得た。

- 79 -

５.
システム開発と現場検証実験
5.1 システムの概要(1) システムの機器構成
機器構成を図-8 に示す。鉄筋を計測するには画像処理プログラムを実行するパソコン（以下，PC）が必要である。工事現場での使用に耐えうる
堅牢・防水型の PC を選択し，肩掛けや首掛けを可能にし，ハンズフリーが可能なスタイルとした。
デジタルカメラで撮影した画像は，無線 LAN 機能
内蔵型メモリーカードを利用して PC へ自動転送する。その後，画像処理プログラムを実行して鉄筋を計測し，鉄筋径を特定して判定結果を PC 画
面に表示する。
(2) システム画面
システム画面を図-9 に示す。工事現場で使用することを考慮して，ペンまたは指だけですべての操作ができるように設計した。システム利用の
流れは，まず，マーカーと背景を検査対象の鉄筋
背後にセットし，配筋写真を撮影する。PC へ自動転送された撮影画像を選択し，撮影場所を入力する。計測前に設計情報を入力すると，計測結果を自動判定する。計測結果として，縦筋と横筋の鉄筋本数，径，ピッチがそれぞれ得られるが，表示が不要な情報（例えば，主筋のピッチ）は個別に非表示にできる。最後に，計測結果が表示された配筋写真の画像を PC に保存する。
(3) 背景器具の開発
試作時の背景は，アクリル板で製作し，その裏面に磁石を貼付して鉄筋と固定した。鉄筋の背後に挿入しやすくするため，300～400mm の長さに分割した。この背景を利用して各種実験を行っていたところ，磁力で付着した鉄粉等によって背景が汚れる，または，鉄筋との固定を阻害する場合があった。この結果，背景をセットする時間が長引く，背景が真っ直ぐにセットできない，という不具合が生じた。そこで，磁力のみに頼らない鉄筋への固定方法を検討し，端部の固定具とロール状の背景を組み合わせた背景器具を開発した。開発した背景器具を図-10 に示す。ロール状の背景には，耐久性・耐水性・防汚性の優れた材料を選定した。なお，端部の固定具は，100～200mm の配筋ピッチに適応し，鉄筋へ確実に固定できる。
5.2 屋内検証実験
まず，システムの精度確認を目的として、日射や影の影響のない屋内で検証実験を行った。建築工事で通常使用される D10～D41 を対象鉄筋とした。鉄筋の向きは、リブがち、ふしがち、および、
これらの遷移状態とした。これら 3 つの向きの判定結果を図-11 に示す。同図の上段はリブがち、
中段はふしがち、下段はリブがちからふしがちの遷移状態の判定結果である。径の判定結果は、鉄筋の向きによらず正確であった。

- 80 -

配筋写真（マーカーと背景をセット）

撮影
無線転送

デジタルカメラアプリケーション搭載

タブレット式PC

図-8

システムの機器構成
平均
ピッチ

画像ファイル選択

撮影場所の入力
鉄筋径ごと
色分け表示

配筋情報の入力

計測結果の表示／非表示 保存の操作パネル
配筋情報に対する計測結果の判定表示

図-9

システム画面例

図-10

図-11

背景器具

屋内実験における判定結果

外すことで配筋状態を正確に判定できた。次に，
5.3 現場検証実験
システムの適用効果を確認するため現場検証
スラブ筋への適用状況を図-15 に示す。同図の撮実験を行った。本検証実験は，民間中層板状集合 影対象は，主方向：D13@200，直行方向：D10@20
住宅，民間高層タワー型集合住宅，公共病院施設 0 であった。補強筋のピッチは平均値のみを表示
および民間学校施設の計 4 現場で実施した。
した。撮影対象に製造間もない鉄筋が含まれてお(1) 柱筋り，日射によって鉄筋が金属面のように強く全体
柱筋への適用状況を図-12 および図-13 に示す。 が輝くように白っぽく見えたが，正確に配筋状態
まず，図-12 の撮影対象は，主筋：5-D29（竹ふを判定できた。
し鉄筋），補強筋：D13@100 であった。同図では， 5.4 検証結果に対する考察および評価
補強筋のピッチをすべて表示した。主筋は多少発検証実験の結果から，検査時間，判定結果の正錆していたが，径の判定には影響なく，正確に D 答率，黒板の簡素化について考察・評価した。
29 と判定できた。次に，図-13 の撮影対象は，主 (1) 検査時間
従来の配筋検査では，対象の鉄筋にカラーチュ
筋：5-D29（ねじふし鉄筋），補強筋：D13@100 であった。同図では，補強筋のピッチは平均値のみ ーブやカラー磁石を本数分取付け，配筋ピッチをを表示した。また，撮影場所の背後の制約により， わかりやすくするため，検査ロッドを配筋に固定
斜め方向から撮影したが，鉄筋径の補正機能によ した。さらに，黒板へ必要事項を記入し，配筋の邪魔にならない見やすい箇所に置く必要があっって，正確に配筋状態を判定できた。
た。一方，本システムを適用した検査では，黒板(2) 壁筋およびスラブ筋
まず，壁筋への適用状況を図-14 に示す。同図 への記入やセットは共通作業となるが，システムの撮影対象は，主方向：D13@200，直行方向：D1 が鉄筋と認識した部分を自動的に着色するため，
カラーチューブを取付ける作業が省略できる。背
0D13@200 であった。また，補強筋のピッチをすべて表示した。太陽高度の低い冬季の撮影であっ 景には検査ロッドの代わりに目盛を印刷したた
たが，撮影方向を調整し，太陽光を撮影範囲から め，背景とマーカーをセットすれば，検査ロッド

図-12

柱筋への適用図-13

柱筋への適用図-14

図-15- 81 -

壁筋への適用スラブ筋への適用

のセットを省略できるため，背景とマーカーのセットは負担にならない。検証実験の結果から，従来のカラーチューブを巻く場合と比較すると，1箇所あたりの検査時間を 30％以上短縮できることを確認した。検査時に持回る道具類として，従来の検査では必須の検査ロッドが不要になるため，道具類をよりコンパクトにまとめられ，検査手間を大きく軽減できることが明らかになった。
(2) 撮影時の配慮と判定結果の正答率
配筋写真に太陽光が入ると画像処理機能が乱される場合があるため，太陽光が入らないよう撮影方向を調節する必要がある。撮影方向が斜めになっても，鉄筋径を補正する機能を付加したため，判定結果には影響しない。また，雨天時の実験結果より，水滴が付着して鉄筋の色合いが多少変化しても，画像処理結果には影響しないことを確認した。これらのことから，判定結果の正答率は天候の影響を受けず，95％以上の正答率を得ることができた。今後，正答できなかった場合の詳細
原因の追究とその場合の検査フロー（鉄筋径の確認を追加など）を確立する予定である。
(3) 黒板の簡素化
民間工事の配筋検査における共通の課題として，黒板の省略，または，簡素化の要求がある。
民間工事では，監理者の承認が得られれば，黒板の省略や簡素化が可能である。簡素化の一手法として期待されている電子黒板機能と共存させることでさらに検査効率が向上することが見込まれるため，早急に対応する予定である。

６．まとめ
本報では，画像処理技術を応用した配筋自動判定システムを開発し，工事現場で検証実験を行った。その結果，以下に示す知見を得た。
1)撮影画像の輝度に応じて 3 領域に区分する
鉄筋抽出アルゴリズムによって，影の影響を受けずに鉄筋のみを抽出できた
2)竹ふし鉄筋では最大直径とふしの高さから径を特定する手法，ねじふし鉄筋では最小直径から径を特定する手法を考案し，システムへ実装した
3)システムが認識した鉄筋を着色することで，配筋検査前に行うカラーチューブやカラー
磁石の取付けを省略でき，検査時間は約 30％以上短縮できることを確認した
4)検証実験では，柱筋，壁筋，スラブ筋にシステムを適用し，判定結果の正答率は 95％以上であった
今後，社内既存システム（配筋検査支援システ
ム，工事黒板カメラ）へ組み込み，実用化を推進する。さらに，デジタルカメラによる撮影画像を利用して高い精度で計測できる技術の他分野への展開も進めていく予定である。
参考文献
1) 金子智弥他：全数検査記録に対応した配筋検査支援シ
ステム，大林組技術研究所報，No.74，2010 年
2) http://www.datadesign.co.jp/artec3d/3) 池田雄一・坂上肇・浜田耕史：配筋自動判定システムの開発，建設物価，No.1121，pp.18～21，2012 年- 82 -

21．端面掘削方式を用いた多段型掘削機の掘削効率に関する研究

呉工業高等専門学校
愛媛大学（株）スターロイ

○ 重松
室
小田

尚久
達朗
登

２．実験概要１．はじめに現在、日本では高度経済成長期に作られた多く 2.1 モデル掘削機の構造物が老朽化し、解体の必要性があるものも図-1 にモデル掘削機の断面図を示す。この掘削多数存在する。解体の際、現在使われている主な 機は 1 段目である先端部に12mm、長さ 28mm の工法である油圧ブレーカー等での打撃工法等では、 ポイントアタックビットが 2 本ついており、この都市部などにおいて、騒音や振動の問題により使 ビットで先行掘削することによってディスクカッ
用が制限される場合も少なくない。そこで、環境 タビットで端面掘削を行うための先進孔を掘削すに配慮した新しい解体工法の開発が必要とされて る。なお、ポイントアタックビットで掘削を行ういる。本研究では、油圧アームの先のアタッチメ 際中心に残るモルタルが掘削の妨げとなってしま
ントを取り替えることにより、多様な作業を行う うため、そのモルタルを壊すためのフィッシュテ
ことができる機械であるバックホウに着目した。 ールをモデル掘削機の中心部に設置する。2 段目は、
このバックホウのアタッチメントとして使用でき ポイントアタックビットから 30mm 広がったとこる掘削装置を開発することで既存の建設機械を使 ろに刃が当たるように 2 枚のディスクカッタビッ
用することができ、経済性のよい掘削機械となる トを設置する。3 段目は、2 段目から 30mm 広がっことが考えられる。そこで、バックホウの先端に た位置に刃が当たるように 2 枚のディスクカッタ
取り付けるアタッチメントに適した掘削方式とし ビットを設置する。このような構造によりに段階て端面掘削方式を用いた多段型端面掘削機の開発
的に端面掘削を行っていく。なお、このディスクを考案した。2 自由面を有する岩石の端部を掘削す
カッタビットは60mm であり、周面摩擦を低減さる端面掘削方式では、平面掘削方式との比較実験せるためモデル掘削機に 10 度の角度をつけて配置
により比エネルギーが約 1/10 に減少する 1)ことがしてある。過去の実験では掘削土の排出に対する明らかになっている。
対策をしておらず、掘削土の排出が不十分であっ本研究は、段階的に端面掘削を行える形状のモため、今回のモデル掘削機はモデル掘削機先端部
デル掘削機を製作し、実験を行うことでバックホに17mm の吸い込み口を設け、掘削土の吸引を行
ウの先端に取り付ける端面掘削方式を用いたコン
い、さらにモデル掘削機の 2 段目の角を取ること
クリート掘削機を設計する際の指針を提供するこによって掘削土の排出の改善を行った。
とを目的とする。過去の実験でモデル掘削機を使用した実験を行ったが、水平面を垂直に掘削する
192実験であったため、掘削土が供試体中に残り、効10 °
率的な掘削土の排出が出来なかった。そのため、
60
30 30
排出されなかった掘削土が実験結果に大きく影響
単位 : mm2), 3)
した可能性が高い。本研究では掘削土の排出効率を改善するために、モデル掘削機の改良に加え、実験機を 90°横に倒して垂直面を水平に掘削する
し、実験を行った。実験により各掘削段階におけるモデル掘削機に作用する垂直力 Fz、回転トルク
T、掘削深さ z の測定を行い、比エネルギーEs を求め掘削効率などの検討を行った。また、掘削土の図-1 モデル掘削機断面図
排出効率の改善を行っていない実験データとの比較を行った。

- 83 -

験で供試体に作用した垂直力 4)を参考にして、各2.2 実験装置
図-2 にモデル掘削機を取り付けた実験装置の概 掘削段階で 3 つの垂直力を設定した。ポイントア
略図を示す。
実験装置は高さ 1,750mm、幅 700mm、 タックビットのみで掘削を行う 1 段目は 7.5kN、奥行き 700mm である。ターンテーブル、供試体、 8.5kN、10kN の 3 種類、ポイントアタックビット
下部に設置したターンテーブルを回転させるため とディスクカッタビット 1 段目で掘削を行う 2 段のモータと駆動伝達装置、上部フレームに設置し 目は 20kN、22.5kN、25kN の 3 種類、全ビットでた応力制御用油圧シリンダ、および推進力とトル 掘削を行った 3 段目は 30kN、35kN、40kN の 3 種
クを測定するロードセル、モデル掘削機の掘削深 類の垂直力で、各々に対し 2 回ずつ実験を行った。
さを測定する変位計、掘削土の排出のために実験 なお、設定垂直力の変更は次の段階のビットが当装置を倒す排土改善用油圧シリンダで構成される。 たり始めた直後に一度掘削を止めてから行った。
ターンテーブルは、下部に設置した電動モータにより 2r.p.m.で回転させる。上部フレームには応力 ４．実験結果
制御用油圧シリンダを設置し、油圧モータで荷重 4.1 掘削時間 t と垂直力 Fz の関係
一例として、図-3 に 3 段目を設定垂直力 30kNを制御する。なお、実験装置は幅 1,370mm、奥行で掘削した際の掘削時間 t と垂直力 Fz の関係を示
き 1,100mm の鋼板の上に乗っており、側面に設置す。垂直力
Fz は設定垂直力を中心に増減を繰り返されている排土改善用油圧シリンダを伸縮させる
していることがわかる。これは、掘削面に存在すことによって実験装置を横転させることが可能でる凹凸により、実際に作用している油圧の値と制ある。
御している油圧の値との間に時間差が生じることに起因すると考えられる。また、全ての実験において垂直力 Fz が設定垂直力を中心に増減を繰り返していた。段数が増えるとともに垂直力 Fz の振れ幅が大きくなる傾向が見られた。これは、段数増加に伴うビットの接触面積の増加によるものと考えられる。今回の実験では垂直力 Fz が増減を繰り返す結果となったが、実際の掘削機で油圧を用いて掘削する際にも同様の傾向が見られるものと考
えられる。

図-2

実験機概略図2.3 供試体
本実験には水セメント比 W/C=50%のモルタル供試体を使用した。供試体の形状は外形 270mm、高さ 183mm の円柱状で、周りを鋼製型枠で覆っている。供試体は一軸圧縮強度 40N/mm2 以上を目標とした配合設計により製作した。
2.4 実験方法
図-3 掘削時間 t と垂直力 Fzモデル掘削機に作用する垂直力 Fz を一定に制御して掘削を行う荷重制御による実験を行った。今回の実験では、掘削土をスムーズに排出するため 4.1 掘削時間 t とトルク T の関係
図-4(a)に 1 段目を設定垂直力 7.5kN、(b)に 2 段実験機を 90°倒し、鉛直面を掘削するようにして目を設定垂直力
20kN、3 段目を設定垂直力 30kN
掘削土の排出を容易にした。さらに、吸塵機を用で掘削した際の掘削時間 t とトルク T の関係を示いることで吸い込み口より掘削土を吸引できるよす。一段目は、最初はトルク T が小さな値を示しうにした。供試体をターンテーブルに乗せ四隅をながら掘削が進んでいる。これは、モルタル上面
ボルトで固定して 2r.p.m.で回転させ、設定した垂部の強度が内部の強度に比べて低い事が原因であ直力でモデル掘削機を押し当てて掘削を行い、垂ると考えられる。その後、トルク T はある値を中直力 Fz、トルク T、掘削深さ z を測定した。モデ
心にほぼ一定のふれ幅で掘削が進行している。一ル掘削機は全部で 3 段の構成となっており、各段
時的にトルク T の値が不安定なところも見られる階に応じた垂直力を設定した。過去の変位制御実- 84 -

が、これはモルタルの掘削面の凹凸にビットが引 に増加し、その後一定の割合で増加している。こ
っかかることが原因であると考えられる。また、 れはモルタル上面部の強度が内部の強度に比べて掘削段階が進行するとともにトルク T のふれ幅は 低い事が原因であると考えられる。そして、その大きくなっていた。これは、段数増加に伴う垂直 後はほぼ一定の傾きで掘削が進行している。また、
力 Fz の振幅の増大と、ビットの接触面積の増加の 掘削深さ z は増減を繰り返しながら掘削が進んで二つの要因によるものと考えられる。すべての実 いるが、これは掘削面に凹凸があることが原因で験においてトルク T は、1 段目の初期を除いてあ あると考えられる。また、2 段目、3 段目で掘削しる値を中心に一定のふれ幅で推移する傾向が見ら た際は、ほぼ一定の傾きで掘削が進行していた。
すべての実験において、1 段目の最初の部分を除き、れた。
すべての掘削段階で掘削時間 t と掘削深さ z は比例
4.2 掘削時間 t と掘削深さ z の関係
一例として、図-5 に 1 段目を設定垂直力 7.5kN で しており、掘削深さ z の傾きを掘削速度 V とした。
掘削した際の掘削時間 t と掘削深さ z の関係を示す。
掘削深さ z は、掘削時間が 30 秒あたりまでは急激

図-4

図-3

(a)

1 段目

(b)

2 段目

掘削時間 t と掘削深さ z

4.3 過去の研究 2),3)との比較(1) トルクT
図-5 に各掘削段階におけるトルク T の比較を示す。参考のため、掘削土の排出改善を行っていな
い実験結果も同時に示す。各掘削段階でそれぞれ垂直力 Fz とトルク T が比例していることがわかる。
また、全ての掘削段階を通してみても垂直力 Fz と
トルク T が比例する傾向があることがわかる。垂直力 Fz とトルク T に相関が見られるため、実際の掘削機でも垂直力 Fz を制御することにより掘削機に作用するトルク T を把握できると考えられる。
次に、掘削土排出の改良前と比較すると、掘削土の堆積しにくい 1 段目は大きな差は見られなかっ（c) 3 段目
掘削時間 t とトルク T

図-5- 85 -

各掘削段階におけるトルク T の比較

たが、2 段目と 3 段目では掘削時に作用するトルク に、掘削土排出の改良前と比較すると、改良したT が低減されていることがわかる。掘削土の今回 実験の方が、比エネルギーEs が減少しおり、掘削の改良により、トルク T が減少していることから、 効率が飛躍的に向上していることがわかる。
掘削土の排出の効率が掘削機に作用するトルク Tに影響を与えていると考えられる。
(2) 掘削速度 V
図-6 に垂直力 Fz と掘削速度 V のグラフを示す。
参考のため、掘削土の排出改善を行っていない実験結果も同時に示す。全ての掘削段階で、垂直力
Fz に比例して掘削速度 V が増加する傾向が見られた。また、段数が増加するに従い、掘削速度 V の傾きが緩やかになる傾向が見られた。以上のことから、実際の掘削機械で端面掘削を行った際にも垂直力 Fz による掘削速度 V の推測が可能であると図-7 各掘削段階における比エネルギーEs の比較考えられる。次に、掘削土排出の改良前と比較す
ると、掘削土の堆積しにくい 1 段目は大きな差は見られなかったが、2 段目と 3 段目では掘削速度 V ４．結論が増加していることがわかる。今回の改良により、 (1) 実際の掘削機において、垂直力 Fz を測定することで、トルク T と掘削速度 V を予測できる掘削速度 V が上昇することから、掘削土の排出効と考えられる。
率が掘削速度 V に影響を与えていると考えられる。
(2) 実際の掘削機において端面掘削を行う際には、段数を増加させることで掘削効率が上昇すると推測される。
(3) 掘削土の排出を効率よく行うことによって掘削速度 V の上昇、トルク T の減少、掘削効率の大幅な上昇が見られたので、実際の掘削機を設計する際にも掘削土排出の効率を考慮して設計する必要がある。
謝辞 本研究の一部は，科学研究費補助金基盤研
究(Ｃ) 26420446 の補助を受けて行われた。
図-6

参考文献

各掘削段階における掘削速度 V の比較

1) 室達郎,土屋清,河野幸一,若林俊介：ディスクカッタビッ

図-7 に各掘削段階における比エネルギーEs のグラフを示す。参考のため、掘削土の排出改善を行っていない実験結果も同時に示す。比エネルギー
Es は掘削に必要とするエネルギーを掘削土量で除したもので、小さいほど効率が良いことを意味する 5)。1 段目は比エネルギーEs が小さく、掘削効率がよい。これは供試体上面部の強度が低いことと、掘削機中心部に近い位置にポイントアタックビッ
トがあることで、トルク T が小さくなったことが原因だと考えられる。2 段目は 1 段目と比較すると
比エネルギーが増加している。2 段目から 3 段目については比エネルギーEs が大きく減少している。
ディスクカッタビットが 2 枚から 4 枚に増え、掘削土量も増えたため、掘削効率が上昇したものと考えられる。段数を増加させることにより、掘削効率を上昇させることができると推測される。次トによるモルタル端面の定常端面特性に関する実験的考察,土木学会論文集,No687/Ⅲ-56, pp.37-47, 2001.
2) 北岡一成,重松尚久,小田登：多段型端面掘削方式を用いたモデル掘削機の応力制御実験,平成22年度建設施工と建設機械シンポジウム論文集, pp.61-64,2010.
3) 重松尚久,北岡一成,室達朗,小田登,河村進一：多段型端面掘削方式を用いた深礎掘削機の性能に関する室内実験,
土木学会論文集F1（トンネル工学） Vol. 69(2013) No. 2,
pp.121-128, 2013.
4) 花岡尚,重松尚久,小田登：端面掘削方式によるバックホ
ウのアタッチメントとしてのローラーヘッダーの開発に関する基礎的研究,平成21年度建設施工と建設機械シンポジウム論文集,pp.187-190, 2009.
5) Snowdon,R.A. Ryley,M.D. and Temporal,J. A study of disc- 86 -

cutting in selected British rock. Int. J. of Rock Mech. Min.
Sci. & Geomech. Abstrs., 19, pp.107-121, 1982.

22．振動締固め機械に搭載された加速度応答システムの適用性(独)土木研究所(独)土木研究所(独)土木研究所

１．はじめに振動ローラの振動挙動が接する地盤剛性の影響を受けることを利用し、機械に搭載した加速度計の挙動を解析して地盤剛性を推定する手法が、これまで大型の振動ローラや小型の前後進コンパク
タなどで研究・実用化されている。このシステムを利用した締固め管理手法は、締固め品質を面的にリアルタイムで確認できるため、新しい施工管理技術として注目されている。
土木研究所では民間企業 10 社と共同で「盛土施工手法及び品質管理向上技術に関する共同研究」
を実施し，その中で複数の加速度応答システム，
振動ローラ，前後進コンパクタ，土質条件を用いて加速度応答システム表示値と密度・地盤剛性との関係を調査してきた．本報ではその実験結果をまとめて報告する．

○ 橋本
毅
茂木 正晴
藤野 健一

て各メーカ独自の手法で解析し，結果をリアルタ
イムで表示部に表示するものである．振動ローラ
用システムでは車載 PC にて結果を記録することができ，GNSS などによる位置情報と組み合わせることも可能である．これに対し前後進コンパク
タ用のシステムは，解析結果を表示部に登載された複数の LED 点灯個数により表示している（点灯個数が多いほど剛性が高い）．図-1 に前後進コンパ
クタ用システムの概略を示す．

表示パネル

２．実験概要2.1 使用システム・締固め機械
本実験で使用した加速度応答システムの詳細情報を表-1,2 に示す．

加速度センサLED の点灯個数で地盤剛性を表示

図-1 前後進コンパクタ用加速度応答システム 概略
表-1 振動ローラ用加速度応答システム
システム名
メーカ
出力値
登載可能
ローラ

α
α システム
研究会
乱れ率
SV512
BW141
（後付）

表-3,4 に本実験で使用した加速度応答システム
登載締固め機械の仕様を示す．

CCV

Evib

酒井重工

BOMAG

CCV 値
SV512
BW141
（後付）

Evib 値
BW141
（メーカに
て据付）

表-2 前後進コンパクタ用加速度応答システム
システム名
メーカ
出力値
登載可能
前後進コン
パクタ

COMPASSECONOMIZER
BOMAG
三笠産業
LED 点灯個数
LED 点灯個数
MVH-306
BPR45/55D
MVH-406（メーカにて据付）（メーカにて据付）表-3 振動ローラ仕様
メーカ

酒井

BOMAG

型式

SV512D

BW141AD-4AM

総質量 (kg)

11050

8700

振動輪荷重(kg)

5700

4550

起振力 (kN)

226

144

振動数 (Hz)27.5

45

締固め幅 (m)

2.13

1.5

登載加速度応答

α

システム

CCV

加速度応答システムは，振動ローラ用，前後進
コンパクタ用共に締固め機械の振動部に加速度計を取り付け，その信号を車載の計算モジュールに- 87 -

αCCV
Evib

表-4 前後進コンパクタ仕様
BOMAG

メーカ

三笠

三笠

型式

MVH-306

MVH-406

DSC-PAS

DSC-PAS

総質量 (kg)

330

410

396

起振力 (kN)

45

50

45

BPR45/55D

振動数 (Hz)

73

73

70

締固め幅 (m)

0.445

0.5

0.55

COMPASSCOMPASS

登載加速度応答システム

ECONOMIZER

2.2 実験土質
本実験で使用した土の物理特性を表-5 に，粒径加積曲線を図-2 に示す．

2.4 実験フィールド
実験は土木研究所土工実験施設内の実験ピット(幅 5m，長さ 44.8m，深さ 4m)を使用した．振動
ローラの場合は，山砂を用いてピット底面より高さ 2.8m まで十分に締固められた基礎地盤をピット内に製作し，その上に表-5 に示す実験材料を仕上
がり厚さ 300mm になるよう盛り立てて実験フィールドを製作した．前後進コンパクタの場合は，基礎地盤を高さ 3.0m まで作成し，その基礎地盤の
壁際に，各締固め機械の接地幅に応じて設定された溝幅×長さ 25 m×深さ 0.3 m の溝を掘削し，そこへ表-5 に示す実験材料を仕上がり厚さ 300mmになるよう盛り立てて実験フィールドを製作した．

表-5 材料の物理特性
呼称

土質
(1)

土質
(2)

通過質量百分率（%）

土粒子密度 ρs
2.647 2.666（g/cm3）
最大粒径 Dmax
9.5
9.5
（mm）
細粒分含有率
14.8
4.3
Fc（%）
最大乾燥密度1.571 1.625
ρdmax(g/cm3)
最適含水比
17.8
18.2
wopt（%）JIS A 1210 A-c 法による

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0.001

土質
(3)

土質
(4)

土質
(5)

2.675

2.681

2.665

9.5

19.0

4.75

15.3

33.4

57.1

1.674

1.666

1.531

16.0

18.8

24.9

土質(1)
土質(2)
土質(3)
土質(4)
土質(5)

0.01

0.1

1

10

100

粒 径 (mm)

図-2 粒径加積曲線

2.3 実施した実験パターン
実施した実験パターンを表-6 に示す．

図-3 実験フィールド（前後進コンパクタ）

2.5 データ計測方法
上記実験フィールド上を、締固め機械にて 16 回締固めを行い（8 往復）、0,2,4,6,8,12,16 の各締固め
回数時の密度，地盤剛性加速度応答システム表示
値を測定した．密度測定は内径 0.1m，高さ 0.1mのコアサンプラーを用い，地表面～0.3m の深さにおける密度を測定した．測定点は実験フィールド
区間内の 3 点で行い平均値を採用することとした．
地盤剛性は超小型動的平板載荷試験装置（アプライドリサーチ社製：IST03）にて測定した．この装置は平板載加装置と同様の地盤反力係数 K30
値を測定することができる．測定点は実験フィー
ルド区間内の上記密度測定点と重複しない地点 3点で行い平均値を採用することとした．
加速度応答システム値は，振動ローラは車載 PC
にて各締固め回数時の値を記録し，平均値を算出

表-6 実験パターン表
土質
目標実験時含水比(%)
SV512
BW141
MVH-306
MVH-406
BPR45/55D

土質(1)
16.0
付近
○
○
○

土質(2)
16.0
付近
○
○

17.0
付近
○
○
○

10.5
付近
○

○

- 88 -

土質(3)
15.0
付近
○

○

16.0
付近
○
○

○

土質(4)
18.0
付近
○
○
○
○

土質(5)
28.0
付近
○
○
○

した．前後進コンパクタは各締固め回数時の LED
点灯状況をビデオ撮影し，点灯個数にその点灯秒数を乗じた点灯個数の総和をレーン走行時間（秒）にて除して，刻々の点灯個数を走行延長にて平均化した「平均 LED 点灯個数」を算出した．

表-7～11 のようになる．なお，表には実験時含水比および最適含水比と実験時含水比との差（負値ならば最適含水比より乾燥側），また 16 回締固め
後の飽和度（0～30cm 平均）も併せて示している．
表-7 平均 LED 点灯個数との相関係数（MVH-306）

３．実験結果実験結果の一例として，MVH-306 における「平均 LED 点灯個数」と地盤剛性との関係を図-4 に示す．

土質
wopt (%)
土質(1)
18.2
土質(2)
17.8
土質(4)
18.8
土質(5)
24.9

地盤剛性値K30(MN/m3)

100

80

※

実験時 w
(wopt との差)(%)
15.8
(opt-2.4)
16.8(opt-1.0)
18.1(opt-0.7)
27.5(opt+2.6)

16 回後
飽和度
(%)

平均 LED 点灯個数との
相関係数
締固め度
地盤剛性

59.8

0.963

0.936

74.9

0.259

0.017

58.1

0.903

0.956

67.5

0※

0※

土質(5)では LED は点灯しなかったため 0 とした．

60

表-8 平均 LED 点灯個数との相関係数（MVH-406）
土質wopt (%)

40

土質(1)
18.2
土質(4)
18.8
土質(5)
24.9

20
0

1

2

3

平均LED点灯個数
土質(1)

土質(2)

土質(4)

土質(5)

図-4 平均 LED 点灯個数－地盤剛性（MVH-306）

実験時 w(wopt との差)(%)
15.4
(opt-2.8)
18.5(opt-0.3)
25.6(opt+0.7)

16 回後
飽和度
(%)

平均 LED 点灯個数との
相関係数
締固め度
地盤剛性

55.8

0.969

0.963

64.8

-0.625-0.483

68.5

0.717

0.873

表-9 平均 LED 点灯個数との相関係数（BPR45/55）

図-4 より，本条件では，土質(1)および(4)で平均
LED 点灯個数と締固め度の間に良好な相関があり，
土質(2)および(5)では，良好な相関はないといえる．
次に，加速度システムの適用範囲を検討するため，各実験結果より平均 LED 点灯個数に対する締固め度および地盤剛性の相関係数を算出すると，

土質
wopt (%)

実験時 w(wopt との差)
(%)

土質(3)
16.0
土質(3)
16.0
土質(3)
16.0

10.8
(opt-5.2)
14.9(opt-1.1)
16.3(opt+0.3)

16 回後
飽和度
(%)

平均 LED 点灯個数との
相関係数
締固め度
地盤剛性

38.4

0.890

0.983

63.7

0.917

0.951

74.8

0.854

0.397

表-10 平均 LED 点灯個数との相関係数（SV512）
土質(wopt %)土質(2):(17.8)
土質(3):(16.0)
土質(4):(18.8)
土質(5):(24.9)

実験時 w(wopt との差)(%)

16 回後飽和度(%)

16.2(opt-1.6)
17.0(opt-0.8)
10.1(opt-5.9)
14.7(opt-1.3)
15.9(opt-0.1)
18.3(opt-0.5)
28.2(opt+3.3)

67.5
82.1
39.4
73.2
82.0
80.8
92.0

平均 LED 点灯個数との相関係数
締固め度
地盤剛性
CCV
CCV
α
α

0.989
0.855
0.954
0.877
0.926
0.984
0.570

0.944
0.591
0.905
0.889
0.942
0.983
0.719

0.470
-0.879
0.970
0.901
0.304
0.319
-0.281

0.994
0.155
0.976
1.000
0.363
0.301
-0.769

表-11 平均 LED 点灯個数との相関係数（BW141AD-4AM）
土質(wopt %)実験時 w(wopt との差)(%)

16 回後飽和度(%)

土質(1):(18.2)

16.3(opt-1.9)
16.3(opt-1.5)
17.3(opt-0.5)
15.8(opt-0.2)
18.2(opt-0.6)

61.7
76.8
80.5
83.0
76.5

土質(2):(17.8)
土質(3):(16.0)
土質(4):(18.8)

α

0.893
0.963
0.933
0.821
0.654

平均 LED 点灯個数との相関係数
締固め度
地盤剛性
CCV
Evib
CCV
α

Evib

0.798
0.987
0.951
0.686
0.879

0.969
0.864
-0.655-0.0580.638- 89 -

0.915
0.976
0.907
0.884
0.901

0.926
0.860
-0.457-0.035
0.284

0.634
0.864
-0.713-0.892
0.634

1.2

1.2

1
0.8
0.6

相関係数

相関係数

1

0.8
α
CCV

0.6

Evib
0.4

0.2
0
-0.2

前後進コンパクタ300kg-0.4

前後進コンパクタ400kg-0.6

前後進コンパクタB

-0.8
35

40

45

50

55 60 65 70 75 80
16回締固め後の飽和度(%)

85

90

95

図-5 平均 LED 点灯個数と締固め度の相関係数（振動ローラ）

35

40

45

50
55
60
65
70
16回締固め後の飽和度(%)

7580

図-7 平均 LED 点灯個数と締固め度の相関係数（前後進コンパクタ）
1.2

1.2
1

1

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

相関係数

相関係数

0.4

α

0.2

CCV

0

Evib

-0.2
-0.4
-0.6
-0.8

0.4
0.2
0
-0.2

前後進コンパクタ300kg-0.4

前後進コンパクタ400kg-0.6

前後進コンパクタB

-0.8

-1
35

40

45

50 55 60 65 70 75 80
16回締固め後の飽和度(%)

85

90

35

95

40

45

50
55
60
65
70
16回締固め後の飽和度(%)

7580

図-8 平均 LED 点灯個数と地盤剛性の相関係数（前後進コンパクタ）

図-6 平均 LED 点灯個数と地盤剛性の相関係数（振動ローラ）５．まとめ
以上の結果、以下のことがわかった。
本実験条件の範囲内において，施工時含水比を
最適含水比より約 1%以上乾燥側にし，施工途中で含水状態が変化しないよう注意すれば，加速度応100
16回締固め後の飽和度(%)

各相関係数を 16 回締固め後の飽和度で整理すると図 5～8 のようになる．
図 5～8 より，加速度応答システム（LED 点灯個数）と締固め度（密度）および地盤剛性値とは，16 回締固め後の飽和度が，振動ローラならば約80%，前後進コンパクタならば約 65%より乾燥側であれば高い相関性を保持することができ，加速度応答システムを用いて締固め度および地盤剛性値を推定することが可能であるといえる．
また，16 回締固め後の飽和度と実験時含水比と最適含水比との差との関係を図 9 に示す．
図 9 より，飽和度を上記の範囲に維持するためには，振動ローラ・前後進コンパクタ共に施工時
含水比を最適含水比より約 1%以上乾燥側に設定すればよいといえる．

振動ローラ

90

前後進コンパクタ

80
70
60
50
40
30
-6

-5

-4

-3
-2
-1
0
1
2
最適含水比－実験時含水比(%)

34

図-9 wopt と実験時含水比の差－16 回締固め後の飽和度

答システムを用いて締固め度および地盤剛性値を推定することが十分可能であるといえる．
今後は，砂礫系や粘性土など幅広い密度と含水比を持った材料にて実験を行い，加速度応答シス
テムと従来手法との相関について引き続き調査を行いたい．

- 90 -

23．シールドマシンにおけるビットの再利用技術
大成建設株式会社
株式会社丸和技研
有明工業高等専門学校

１．はじめにシールドマシンのカッタービット（以下，ビットと略す）の先端部にはレアメタルであるタング
ステンカーバイトやコバルトを主成分とする超硬合金（以下，超硬チップと呼ぶ）が配置されているが，掘進を終えたシールドマシンのうち，ビッ
トを含むカッターヘッド（写真-1 参照）などはス
クラップ処分されるのが一般的である。
しかし，掘進を終えたビットの目視観察では，
超硬チップに割れや欠けがなく，摩耗量が少ないものも多く，再利用に供することが十分可能と考えられる。また，使用済みビットの再利用が可能になれば，レアメタルの有効利用
及び CO2 排出量の削減に寄与できると考えられる。
そこで，使用済みビットの健全性を評価する技術を開発した。以下にその概要を示す。

○ 高倉 克彦
佐々木 誠
岩本 達也

３．ビットの健全性評価方法
図-2 に示す使用済みビットの健全性評価フローに沿って，概要を説明する。
3.1 外観検査
回収した使用済みビットに対して，まず，目視による外観検査を行う。
超硬チップに割れあるいは欠けが認められるものについては，超硬チップ
写真-1

２．ビットの構造
図-1 にビットの標準的な構造図を示す。カッターヘッドに直接溶接やボルト締結によって取り付けられる部位は母材と呼ばれ，SS 材
や SKC 材などの鋼材が用いられる。
この母材の突端部に超硬チップは配置されており，母材と超硬チップの接合には，銀ろうを用いたろう付がなされている。
超硬チップの厚みは 2cm 程度，
幅は 10cm から 20cm 程度，長さは
当該工事の条件によって予め予測される摩耗量と根入れ長から決定され，4cm から 10cm 程度である。

図-1

ﾋﾞｯﾄ側面図
図-2- 91 -

使用済みﾋﾞｯﾄの健全度評価ﾌﾛｰ

ｶｯﾀｰﾍｯﾄﾞ例

応力範囲σｒ (N/mm2)の付け替えによる補修対象などとする。なお，母ける疲労強度はろう付の約 3.1 倍となっている。
材の摩耗については，肉盛りを比較的容易に行う(2) ビットに作用可能な最大荷重の推定ことができることから，再利用の候補に残す。
ビット強度の確認項目としてろう付強度を取り試験的に回収したビットの外観検査では約25%上げているが，再利用候補の工事の情報において，のビットが手直しを行わずに再利用可能と判定さビットに作用する荷重は地盤を切削するために必れた。次に，再利用候補のビットについて超硬チ
要な力であり，地盤強度に相当すると考えられる。
ップの残存長を測定し，再利用対象工事にて必要
ビットに作用する荷重によってろう付部に発生とされる超硬チップ長との比較評価項目とする。
する応力の関係を求めれば，地盤強度とろう付部
3.2 強度検査の強度を間接的に比較することが可能となる。
超硬チップの強度は母材ならびにろう付の強度 1) ビット載荷試験及びＦＥＭ解析に比べて非常に大きく，割れ・欠けが認められな使用済みビットの静的荷重載荷試験を行い，ろければ強度的に母材ならびにろう付に比べて健全 う付部付近の歪の測定を行った例を以下に示す。
度は高いと考えられる。
荷重方向については，ビットの切削方向（主分力
地盤切削時に超硬チップが受ける力が次に伝達 方向）とシールドマシンの掘進方向（背分力方向）されるのは超硬チップと母材を接合しているろう とした。
付部であり，強度面ではろう付部の健全性を評価
また，構造解析によって上記の載荷実験におけ項目とする。掘進を終えたビットの損傷状況を見 る荷重と歪の関係を把握した。解析モデル図を図ると，超硬チップの母材からの脱落も見られ，こ -4 に，解析条件を表-1 に示す。の状況は掘進機能を大きく阻害する要因となる。
ここで，ビットが地盤の掘進中に受ける作用荷
重は，繰返し荷重と考えられることから，ろう付部の強度の評価は疲労強度について行う。また，
ろう付部に関しては，ろう付の際の溶融したろうの接合面への充填性を踏まえた評価を行う。
なお，新品のビットに対する強度は，メーカーが保障するものとなっており，メーカーによっては 100kN 程度の静的載荷を行っている場合もある。
(1) ろう付部疲労強度の推定
ろう付部の疲労強度を把握するために疲労試験を実施した。疲労試験では，20Hz サイン波を引張
図-4 解析モデル図
側片振りの荷重制御にて載荷した。
「鋼道路橋の疲表-1 解析条件
労設計指針」（日本道路協会）では，繰返し回数
6
母材
超硬ﾁｯﾌﾟ
2x10 回における応力を基本としていることから，
項目
単位
7
SKC24
E5
ここでは未破断設定回数を 1x10 回として試験を
2
7210,000 560,000
弾性係数 N/mm
行い，繰返し回数 1x10 回における疲労強度をろう
ﾎﾟｱｿﾝ比－0.28
0.22
付部の疲労強度として用いることとした。図-3 に
37,800
14,400
密度kg/m
S-N 線図を示す。
ろう付の繰返し回数 1x107 回における疲労強度
図-5 に，荷重と各部の歪の関係について計測値
は 239N/mm2 となり，引張強度の約 44%となって7いる。なお，超硬チップの繰返し回数 1x10 回にお と解析値の比較図例を示す。解析値は計測値を良好な精度で再現していると考えられる。
12002) ろう付部の状況に対する対処
超硬
ろう付
1000
ＦＥＭ解析によってろう付部の応力状態を推定し，その値がろう付の 1x107 回疲労強度となる荷重
800
をそのビットに作用可能な最大荷重とするが，ろ1x107回疲労強度:731N/mm2
600
う付部には，写真-2 に示すような空隙が存在する400ことから，ろう付部応力の解析値を，実ろう付面
積比(=ろう付充填部面積/ろう付部面積)で補正す
200
1x107回疲労強度:239N/mm2る。
0
載荷試験を行ったビットについて，ろう付部の1.00E+04
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
破断繰返し数 N (回)

図-3

Ｓ－Ｎ線図

- 92 -

① ②⑧⑦
No.1-22,000

εmax
CAL.εmax

εmin
CAL.εmin1,500

ひずみ(×10-6)

1,000
500
破壊荷重：463kN▽

0
0

100

200

300

400

500

図-5.1

切削方向荷重－歪関係（①②平均値）-500-1,000荷重(kN)①②⑧⑦

No.1-2

3,000
2,500

εmax

εmin

CAL.εmax

CAL.εmin

2,000

-6

ひずみ(×10 )

1,500
1,000
500
破壊荷重：497kN▽

0
0

100

200

300

400

500

-500
-1,000-1,500荷重(kN)

図-5.2

掘進方向荷重－歪関係（①②平均値）
載荷試験時に超硬ﾁｯﾌﾟが破損した箇所

応力が 1x107 回疲労強度となる最小荷重は，掘進方向に対する 174kN となり、このときの実ろう付面
積比は 89%であった。
例えば，実ろう付面積比が 50%の場合にはそのビットに作用可能な最大荷重を 98kN{=174kN×(50%/89%)}に設定する。
ここで，再利用対象工事の掘進土層の一軸圧縮強度が土丹相当の 5N/mm2 の場合を想定する。一軸圧縮強度
分の力を与えることで，地盤の切削が可能とすれば，ビット幅 100mm，ビットと地盤の接触幅を 10mm とすると，作用荷重は 5kN(=5N/mm2×100mm×10mm）となる。
この荷重がビット先端に載荷試験と同様に作用するものとして，前述のビットの作用可能最大荷重との比較を行うと，実ろう付面積比が 50%の場合のビットの持つ安全率 Fs は Fs=98kN/5kN=19 となる。
このように，ビットの持つ安全率は非常に大きいと考えられる。これは，ビットにおける超硬チップが耐摩耗の観点から設計されていることによるものと考えられる。
４．ろう付部の非破壊検査方法
ろう付部の空隙の状況はろう付時の状況によって，ビット毎に異なると考えられることから，ビットを再利用する際には個々のビットのろう付部の状況を推定しておく必要がある。そこで，超音波探傷による非破壊検査方法の適用を考えた。
図-6 に測定原理を示す。探触子から送信された
超音波はろう付部内にある空隙部の境界面でほぼ100％反射し(伝播経路②)，その音圧（エコー高さ）
は超硬合金とろう付部の界面での反射波(伝播経路①)と比べて強い値となる。
図-7 に示すビットをモデル化した供試体に対して超音波探傷を行った結果とろう付部を削出した
状況写真を図-8 に示す。音圧の評価をろう付面全体に対して一様に行うことが重要であることから，
超硬チップの厚さが変化する場合には，図-8 より焦点距離ならびに減衰に対する補正を行っている。
推定された空隙と実際のろう付面における空隙部の大きさや形状が良く一致していることが確認できる。

実ろう付面積比＝９４％
実ろう付面積比評価範囲

写真-2.1

ろう付部の空隙箇所（切削方向）
実ろう付面積比評価範囲

実ろう付面積比＝８９％※載荷試験時にろう付面部にて破壊したため、母材側と超硬ﾁｯﾌﾟ側の状況から空隙箇所を判断

写真-2.2

ろう付部の空隙箇所（掘進方向）
図-6- 93 -

超音波探傷の測定原理

５．実機搭載掘進後の再利用ビットの状況
工事名称は大井有明付近連系管路新設工事（発注者：東京電力株式会社殿）であり，土丹層及び砂礫層中を掘削外径 4.12m で約 1,400m 掘進する工事であった。
写真-3 に再利用ビット取付状況，写真-4 に掘進前のシールドマシン面板状況，写真-5 に掘進完了
後のビット状況ならびに写真-6 に掘進後のシール
ドマシン面板状況を示す。
掘進完了後の再利用ビットとマシンメーカー製
作ビットの比較を行ったが，双方とも欠損等は同様な状況だった。
図-7(a)探傷画像
図-8

供試体概要図(b)ろう付面測定結果(θ1=10°)

６．おわりに本技術は,CO2 排出量削減，再利用によるレアメ
タルの使用量削減に寄与することを目的として開発したものであり,今後実績を積み重ねて普及させていきたいと考えている。
なお，本技術は，福岡県リサイクル総合研究センター（現 福岡県リサイクル総合研究事業化センター）のレアメタルの３Ｒに関する助成により,大成建設㈱，㈱丸和技研，福岡県工業技術センターならびに有明工業高等専門学校と共同で開発したものであり，関係各位に謹んで御礼申し上げる。

欠損状況等は同等

再利用ﾋﾞｯﾄ
写真-3

ﾏｼﾝﾒｰｶｰ製作ﾋﾞｯﾄ

再利用ﾋﾞｯﾄ取付状況
写真-5

掘進完了後のビット状況

再利用ﾋﾞｯﾄ

写真-4

ｼｰﾙﾄﾞﾏｼﾝ面板(掘進前)

写真-6- 94 -

ｼｰﾙﾄﾞﾏｼﾝ面板(掘進後)24．シールド機二重回転カッター構造に関する実験結果の報告
大断面シールド機における高速施工と省エネの技術開発

前田建設工業株式会社
早稲田大学
前田建設工業株式会社

○ 安光
小泉
篠原

立也
淳
慶二

制御できる構造となっている。掘削装置には推進
１．はじめに近年は，道路や鉄道などのトンネルにおいて大 機構は付いていないが，模擬地盤を押出し装置で断面シールドの工事が増加しており，用地の制約 押し出すことで相対的に掘進と同じ状態を作り出等から大深度化や超長距離化の傾向がある。これ す。押出し装置は圧力を同調した4本のジャッキでに伴い，施工効率の向上や工期短縮などの高速施 供試体の四隅を押す構造となっている。
工技術と共に省エネが求められている。高速施工と省エネを可能にする技術としては，セグメント
組立とそれに係るシールド坑内から立坑および坑外における搬送設備の効率化が含まれるが，セグ
メント組立時間等の効率化はすでに限界に達しており，今回はシールド機の掘進効率を向上する技術に着目した。
大深度では硬質地盤となりカッター切削抵抗やジャッキ推力の増大が想定される。とくに大断面シールドでは，カッター外周側の周速度に対して
図-1 二重カッター実験機側面図
カッター内周側の周速度は小さくなるので，カッター内周側の切削効率の低下と取込土砂の攪拌効率の低下が掘進効率に影響する。したがって，カッター内周側の切削効率と攪拌効率を上げることが，シールド機の掘進効率を向上させことになる。
そのためには，カッターを外周と内周の二重構造として内カッターを高速で回転させる方法が有効となるが，その切削効率や攪拌効率に関して実験による検討はなされていない。
筆者らは，2012年から二重回転カッター構造を持つシールド機の模型を作製し，大深度の地盤を想定した模擬地盤を用いた掘進実験を行ってきた。
ここに，その結果を報告する。
写真-1 二重カッター実験機全景
２．実験装置以下に，実験機と供試体について説明する。
2.1 実験機
本実験に用いた二重回転カッターの実験機（土圧式）を図-1および写真-1～2に示す。実験機は二重カッターの「掘削装置」と地盤を模擬した供試体(模擬地盤)の「押出し装置」で構成されている。
掘削装置は外径がφ800mmで，外カッターと内カッターそれぞれに電動モーターを持ち個別に回転を- 95 -

写真-2

二重カッターフェース(左)内外比=1:2，(右)内外比=1:3

実験機は外径が小さいので外カッターの駆動モーターをシールド機よりも外側に配置したが，外カッターは中間支持方式，内カッターをセンター
シャフト方式とすることによりカッター駆動部の複雑化を解消した。
計測する項目は，掘進時の負荷の代表値である
ジャッキ推力とカッタートルクとした(以下、推力
写真-3 供試体作製(左:流動化処理土打設、右:硬化養とトルクとする)。推力は押出し装置のジャッキ油
生後)圧から算定される。トルクは内カッターと外カッ
ターのモーター負荷を各々計測した。約0.5秒ごとにデータロガーに記録した。
シールド機の推力には，カッターが地山に切り込む際の負荷と，チャンバー内に充満した掘削土
砂による切羽圧の負荷が含まれている。また，トルクには切り込みに要する負荷と，チャンバー内の掘削土砂を攪拌するための負荷が含まれている。
実験機のチャンバーの下部には蓋がついており，これを開いた状態で実験を行えば，チャンバー内に掘削土砂が溜まらず，切り込みに要する推力お写真-4 針貫入試験による強度確認
よびトルクを計測できる。一方，蓋を閉じてチャンバー内を掘削土砂で充満すれば，実際の土圧式 ３．実験ケースと実験状況
シールド機に近い負荷の状況を確認することがで 3.1 実験ケース
代表的な実験ケースを表-1 に示す 1)。切削のみきる。
チャンバー内を掘削土砂で充満した場合の排土 の負荷となるチャンバーが空の状態と，チャンバ
は，掘進装置の後方の排土口からチャンバー内の ー内の掘削土による負荷も含むチャンバーが充満
圧力により自然に押し出す方法とした。実際の土 した状態を着目点とし，外カッターの回転数は全圧式シールド機のような，スクリューコンベアー ケースとも共通で，0.8 回/分とした。内カッターは回転方向を正転（外カッターと同方向），反転（外による強制的な排土は行わなかった。
カッターと逆方向）させた場合，および回転速度
を外カッターに対して 1 倍速，2 倍速，3 倍速にし2.2 供試体
供試体は大深度における固結した粘性土地盤を た場合の実験を行った。内カッター及び外カッタ
ーは直径比で内:外=1:2 および 1:3 となる組合せを想定した模擬土として，北多摩層等のデータ等を用意した。内:外=1:2 の場合は，外カッター直径
参考に，一軸圧縮強度を 1.0N/mm2 程度と設定した。
φ800mm に対して内カッター直径 φ400mm，内:外
この値は土とモルタルの中間であることから，模=1:3 の場合は内カッター直径 φ267mm である。
擬土材料には流動化処理土を選んだ。写真-3 に示すような鋼製型枠に流動化処理土を打設して硬化
表-1 代表的な実験ケース養生した。大きさは，縦 1m×横 1m×厚さ 0.4m と内カッターの回転方法 チャンバー
内カッター
Case No.
内外比
掘進速度
着目点
内の状態
前出し
正転，反転 回転速度した。この鋼製型枠を実験ケース数に合わせて 16A-1
1倍速基用意して供試体を作成した。
A-2
2倍速
正転
流動化処理土の強度は，打設時に作製したテス
A-3
3倍速
1:2
空
15 mm/分 0mm(1)切削のみ
A-4
1倍速
トピースの一軸圧縮強度試験により確認し，28 日
の負荷
反転
A-5
2倍速
ではほぼ 1.0N/mm2 であった。供試体がテストピー
A-6
3倍速
スと大きな違いがないことを確かめるため，写真
Aと同様の6ケース
B-1~6
1:3
空
15 mm/分 0mm(2)切削によ-4 に示すように，岩盤等で使用される針貫入試験
C-1~6
1:2
空
5 mm/分 0mm
Aと同様の6ケース
る負荷と
チャンバー
を供試体に対して行った。この方法は細かい値ま
D-1~6
1:2
Aと同様の6ケース 充満 5 mm/分 0mm
内の掘削土
砂による負
E-1~6
1:2
Aと同様の6ケース 充満 15 mm/分 0mm
ではわからないが，何度か繰り返し行った結果，
荷
2
F-1~6*
1:2
空
15 mm/分 0mm
Aと同様の6ケース
ほぼ 2N/mm となった。よってテストピースによ(3)芯抜き効
G-1~6
1:2
空15 mm/分 50mm
Aと同様の6ケース
果る一軸圧縮試験で得られた結果と大きく乖離して
H-1~6
1:2
空
15 mm/分 100mm
Aと同様の6ケース
いないことが確認できた。
* ：A１~6 と同じ- 96 -

写真-5 にビット取付状況，図-2 にビットの形
状・寸法を示す。ビットは加工時に精度を確保できることを重視し，実験機の外径に合わせてスケールダウンしたビットは用いなかった。カッター
スポークが小さいので先行ビットとティースビッ
トを分けて配置できないため、地山側が先行ビットでスポーク側がティースビットになる一体型の形状とした。このビットに対して適度な切り込み量になるように掘進速度を設定し，掘進速度は 5mm/分，切り込み量は 5 mm/分÷0.8 回/分＝6.25
mm/回を基本とした。しかし，初期のデータから掘進速度 15 mm/分の場合にトルクと推力の変化が顕著だったことから，そちらのケースを多用した。

４．実験結果内カッターが外カッターに対して正転1倍速の場合は，従来のシールド機と同様の単円での回転方法となる。ここでは，その正転1倍速を基準として各ケースとの比較を行った。
4.1 切削のみの負荷(Case NO.A,B)
写真-8に示すようにチャンバー下部の蓋を開け，掘削土砂がチャンバー内に溜まらないようにして切削のみの推力やトルクを測定した。その結果，以下のことがわかった。

写真-8

写真-5

ビット取付状況

図-2

ビット形状・寸法3.2 実験状況
実験状況を写真-6および写真-7に示す。掘進初期は模擬地盤の表面が薄板状に剥落する様子が観察されたことから，表層ではなく，100mm程度掘進したところからデータを採取した。計測された推力とトルクのデータの平均値をとり，各々のケースでの代表値とした。

供試体設置状況(1) 内カッターのトルク1)
図-3 に内カッターの回転方向（正転，反転），速度（1 倍速，2 倍速，3 倍速）による内カッターのトルクの比較を示す。カッター切り込み量 (mm/回)は，掘進速度(mm/分)÷回転速度(回/分)で表されるので，回転速度が大きくなると，カッター切り
込み量が小さくなる。掘進速度は一定のため，回転速度を速くすることにより，切り込み量が小さ
くなり掘削に要するトルクも小さくなったと考えられる。内外比 1:2 よりも内外比 1:3 が全体的に小さいのは，カッターの面板が小さいこと，取り付けているビットの本数が少ないことなどの理由によるものと考えられる。表-2 に正転と反転の各 1倍速の値に対する比率を示す。内カッタートルク
は内外比 1:2 では 2 倍速で 66%，3 倍速で 45%に低減した。内外比 1:3 では 2 倍速で 66%，3 倍速で61%に低減した。切り込み量は 2 倍速で 1/2（50%），
3 倍速で 1/3（33%）に対して単純な比例とはならなかったが，回転速度が大きいほどトルクが小さくなる傾向は明らかとなった。
ジャッキ速度=15mm/分
内外比 1:2

内外比 1:3

内カッター回転方向-倍速

図-3- 97 -

内カッタートルクの比較

反転 ３-倍速

反転 ２-倍速

反転 １-倍速正転 ３-倍速

正転 ２-倍速

正転 １-倍速

反転 ３-倍速

反転 ２-倍速

反転 １-倍速

実験状況全景正転 ３-倍速

正転 ２-倍速

写真-7

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

正転 １-倍速内カッタートルク[kN-m]

写真-6

チャンバー下部開放状況

内外比1:240

正転 １倍速正転 ２倍速正転 ３倍速反転 １倍速反転 ２倍速反転 ３倍速35

表-2

内カッタートルクの比率
内外比
比の取り方
1:2
1:3
正転１倍速/正転１倍速
100%
100%
正転2倍速/ 〃66%
66%
正転3倍速/ 〃45%61%
反転１倍速/反転１倍速
100%
100%
反転2倍速/ 〃60%72%
反転3倍速/ 〃46%
62%

推力[kN]

30
25
20
15
10
5
0
0

5
10
掘進速度[mm/分]

図-5

ジャッキ速度=15mm/分
内外比 1:2

内外比 1:3

正転 １倍速35

反転 ３倍速30

内カッター回転方向-倍速

図-4

内外比1:240

反転 ３-倍速

反転 ２-倍速

反転 １-倍速正転 ３-倍速

正転 ２-倍速

正転 １-倍速

反転 ３-倍速

反転 ２-倍速

反転 １-倍速正転 ３-倍速

正転 ２-倍速

正転 １-倍速

40
35
30
25
20
15
10
5
0

ジャッキ推力の比較

25

y = 1.9773x + 3.2921

20
15
10

表-3

正転１倍速/正転１倍速
正転2倍速/ 〃正転3倍速/ 〃反転１倍速/反転１倍速
反転2倍速/ 〃反転3倍速/ 〃

掘進速度の向上

0

内外比
1:2
100%
87%
82%
100%
96%
86%

y = 1.5332x + 3.8643

5

ジャッキ推力の比率

比の取り方

掘進速度と推力の関係

回転方法が正転 1 倍速（従来の単円での回転）の時が推力最大，反転 3 倍速の時が推力最小であったので，正転 1 倍速と反転 3 倍速を比較対象とした掘進速度と推力の近似直線を求めた。これを図-6 に示す。
正転 1 倍速で掘進速度が 5 mm/分，10 mm/分，15 mm/分の場合に，同じ負荷で反転 3 倍速ではどのくらい掘進速度が向上できるかを，この近似直線の式にもとづき試算した。その結果を表-4 に示す。多少ばらつきはあるものの，全体的に 20%以
上掘進速度が向上できるものと考えられる。図-6
中の点線は掘進速度 10 mm/分のときの求め方を例示している。

推力[kN]

推力[kN](2) ジャッキ推力1)
図-4に推力の比較，表-3に推力の比率を示す。
内外比1:2では2倍速で87～96%，3倍速で82～86%に低減した。内外比1:3では2倍速で91～92%，3倍速で86～92%に低減した。
回転速度が速いほど，カッターの切り込み量は小さくなることから，掘進に要する推力も小さくなったと考えらえる。

15

0

1:3
100%
92%
92%
100%
91%
86%

5
10
掘進速度[mm/分]
図-6

表-4

正転1倍速
5 mm/分
10 mm/分
15 mm/分15

掘進速度と推力の近似直線

回転方法による掘進速度の向上率

推力13.2 kN23.1 kN
33.0 kN

反転3倍速
6.1 mm/分
12.5 mm/分
19.0 mm/分

上昇率
＋22%
＋25%
＋26%

(3) 掘進速度の向上1)
内カッターの回転速度を上げることにより推力が低減したことから，同じ推力であればどれだけ 4.2 切削のみの負荷とチャンバー内掘削土砂に掘進速度が向上できるかを試算し，定量的に評価 よる負荷(Case NO.D,E)
チャンバー下部の蓋を閉め，掘削土砂をチャンした。図-5 に，横軸に掘進速度，縦軸に推力をとったグラフを示す。このときの実験は掘進速度を 5， バー内に溜めて実験を行った。チャンバー内が充
6，7，8，9，10，15 mm/分と細かく変えて行った。 満し，排土口から一定量で排土が行われる安定しその結果，推力は掘進速度に対してほぼ直線的に た状態になったことを確認してから推力やトルクを測定した。
上昇する関係が見られた。

- 98 -

内外合計トルク[kN-m]

図-7に内外比1:2で掘進速度5 mm/分と15 mm/分 電力消費量の低減率 α
α=60%×20%+10%×35%=15.5%の推力とトルク(内外合計)の関係を示す1)。図には掘進速度5 mm/分でチャンバーが空の場合（Case
5mm/分 チャンバー空 正転
内外比 1:2
5mm/分 チャンバー空 反転
10No.C）も併記した。チャンバーが空の場合（図中
5mm/分 チャンバー充満 正転
5mm/分 チャンバー充満 反転の●○）と比べて充満している場合（図中の■□）15mm/分 チャンバー充満 正転
815mm/分 チャンバー充満 反転には，推力は切羽圧の分上昇し，トルクは攪拌に
1倍速
6
2倍速
1倍速
要する負荷により上昇したため，グラフは右上に1倍速 3倍速攪拌トルク
2倍速シフトした位置になった。
3倍速
4
20%減
3倍速 2倍速
チャンバーが空の場合（図中の●○）は内カッ
ターの回転方法の違いではトルクが大きくは変わ
掘削
2
35%減
時
切羽圧
らなかったことから打点が横長の群になった。チ0ャンバーが充満の場合（図中の■□）は内カッタ
0
20
40
60
ーを速く回すと，チャンバー内の掘削土砂が攪拌
推力[kN]
され塑性流動性が向上することからトルクと推力
図-7 回転方法による掘進負荷が低下するので打点が左下がりの群になった。推力は， 4.1(2)で示した切り込み量低下による負荷 4.3 芯抜き効果低減に加え，攪拌効果による塑性流動性の向上に
山岳トンネルでは，地山に自由面を設けて掘削伴う負荷低減が表れたと考えられる。
負荷を低減する芯抜き効果を利用した工法が用い
掘進速度15 mm/分の場合（図中の▲△）は，1 られている。芯抜き効果の原理は，地山に自由面
倍速よりも2倍速，2倍速よりも3倍速のほうが負荷 を設けることで，掘削する際に亀裂を生じやすくは低減した。掘進速度が大きいことからチャンバ させることである。二重回転カッター構造では，
ー内に取り込まれる掘削土砂の量が多いので，回 内カッターを前に出すことで芯抜き効果を得られ転速度が撹拌に与える影響が大きく，推力の低減 る可能性があると考えられる。これを明らかにすが大きくなったものと考えられる。一方，掘進速 るために，図-8，写真-9に示す内カッターを前に度5 mm/分の場合（図中の■□）は，内カッターを 突出させたカッター面板にて切削実験を行った。
速く回すほど負荷が低減したが，2倍速と3倍速の 具体的には内カッターのセンターシャフトの長さ違いは顕著ではなかった。これは取り込まれる掘 を変えて，外カッターに対して50mm，100mm前出
削土砂の量が少なく，2倍速ですでにチャンバー内 しし，前出し0mmの平面のケースと比較した。
50mm
100mm
が十分に攪拌され塑性流動化していたので，負荷の変化が小さかったためと考えられる。
また掘進速度15 mm/分の場合（図中の▲△）は，回転方向による推力の差は小さいが，正転に対して反転の方がトルクが大きかった。この原因は，反転の場合は内外のカッターの相対速度が大きい
のでチャンバー内の掘削土砂のせん断抵抗力も大きくなり，トルクの増加につながったものと推測
図-8 内カッター前出し(0/50/100mm)される。掘進速度5 mm/分（図中の■□）では，正転も反転も同程度の負荷となった。掘進速度が遅い場合は，チャンバー内が十分に撹拌され塑性流動化した状態になると考えられることから，せん
断抵抗力の影響が小さくトルクの差も小さかったと推測される。以上のことから，負荷の低減は掘進速度が大きいほど顕著であることがわかった。
低減効果を算定すると，掘進速度 15 mm/分では，正転 1 倍速に対して正転 3 倍速の場合に最大でトルクが 20％低減，推力が 35％低減した。
写真-9 内カッター前出し(100mm)
また実験機本体の電力消費量に占めるカッター
モーターとジャッキパワーユニットの電力消費量の割合はそれぞれ約 60%と約 10%であることから， 芯抜き効果は掘削における負荷低減であること
トルクと推力の低減による電力消費量の低減率 α から，4.1と同様の実験方法を採用し，切削のみのを試算すると以下のようになる。
負荷を計測した。

- 99 -

５．結論
5.1 チャンバーが空の場合(1) 内カッターのトルクは，内カッター回転速度
により約30～50%程度低減する。
(2) 推力は，内カッター回転速度により約10%程度低減する。
(3) 内カッターを速く回すと，同一推力で掘進速
度が約20%程度向上する。
5.2 チャンバーが充満の場合(4) トルクも推力も，内カッターを速く回すことにより，トルクは最大約20%程度，推力は最大約35%程度低減する。
(5) トルクと推力の低減により，シールド機本体の電力消費量は15%以上低減すると試算される。

内カッタトルク[kN-m]

以上のことから，二重回転カッター構造を持つ
シールド機の切削性能および攪拌性能の向上が確認されたので，大深度における硬質地盤での大断面シールドに関する高速施工への適用と省エネが期待される。今後は実用化に向けた詳細な機械設計と，さらなる負荷低減と効率的な掘進方法を検討する予定である。
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

前出し0mm
前出し50mm
前出し100mm

内カッター回転方向-倍速外カッタトルク[kN-m]

図-9内カッタートルク(前出し 0/50/100mm)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

前出し0mm
前出し50mm
前出し100mm

内カッター回転方向-倍速

図-10外カッタートルク(前出し 0/50/100mm)
前出し0mm
前出し50mm
前出し100mm40
35
推力[kN]

図-9は内カッターのトルクの比較である1)。前出
しを50mm/100mmした方が，前出ししていない場
合(前出し0mm)よりも全体的にトルクが増加した。
これは，前出し0mmでは一面だけの掘削であったのに対して，前出しするとカッター外周リングの抵抗も付加されることが原因と考えられる。ただし，50mmと100mmの大小関係はまちまちであり，0mm＜50mm＜100mmの順番になる一様な傾向は見られなかった。
図-10は外カッターのトルクの比較である 1) 。
0mmのときよりも50mm/100mmのほうがトルクは若干減る傾向があった。これは，内カッターで芯抜きした自由面へ切削土が流れることにより，外カッターの負担が低減したものと考えられる。
しかし，50mmと100mmの差は顕著ではなかった。
図-11は推力の比較である1)。各ケースで1倍速よりも2倍速，2倍速よりも3倍速のほうが推力は小さくなる傾向は見られた。これは切り込み量の低下によるものと考えられる。0mmに対して前出しした場合の推力は，大きい場合と小さい場合が入り混じっており，前出しによる推力の変化傾向は見られなかった。これらのことから，推力の大小は
切り込み量の大小が支配的であると想定される。
以上を総括すると，芯抜き効果は外カッタート
ルクにおいて若干確認されたが，ジャッキ推力には顕著な効果は見られなかった。写真-10 は掘削後の供試体の状態である。中央部に内カッターを前出しした形状が完全に残っており，芯抜きした部
分が自由面となって崩れやすくなった様子は観察されなかった。今回のような固結粘性土地盤では，
内カッターを先行しても芯抜き効果はあまり期待できないと考えられる。砂層地盤などで，前出しした内カッターの周辺が緩んでくるような状態であれば芯抜き効果が期待できる可能性がある。

30
25
20
15
10
5
0

内カッター回転方向-倍速

図-11

ジャッキ推力(前出し 0/50/100mm)

写真-10

前出し実験後の供試体

参考文献
1) 安光・宮澤・野本・森・篠原・小泉：二重カッター方式- 100 -による大断面シールドの高速施工技術の開発，前田技術研究所報，VOL.55.2014

25．鶴見川多目的遊水地における PCB 廃棄物の現地無害化処理ー ジオスチームＴＭ法による都市部での施工事例 ー株式会社鴻池組
株式会社鴻池組
株式会社鴻池組

１．はじめにポリ塩化ビフェニル (PCB)やダイオキシン類(DXNs)等の難分解性物質による土壌や底質・汚泥等の汚染問題が近年顕在化してきている。これらの無害化処理は，その毒性とともに残留性や難分解性が問題となるなど外部搬出が難しい場合があり，現位置処理が有効な手段となりうる。
鶴見川多目的遊水地は，一級河川鶴見川の下流域の洪水対策を目的とした施設で，平成 6 年より工事が行われ，平成 15 年より一部運用が始まっている。この遊水地建設工事の過程で，PCB などの
特定有害物質および異物（木材、プラスチック，がれき類など）を含む土壌（以下、異物混入土と記す）が確認され，神奈川県横浜市港北区にある
鶴見川多目的遊水地のうち，鶴見川および鳥山川
合流部付近に一時保管されていた。
国土交通省「鶴見川多目的遊水地土壌無害化処
理事業」は，鶴見川多目的遊水地の遊水地機能を確保することを目的に，これら異物混入土のうち，PCB などの濃度が比較的高い PCB 廃棄物について
現地無害化処理（PCB 特別管理産業廃棄物の現地処理）を行った上で外部搬出処分する事業であり，鴻池組は，本事業に係る施設・設備の実施設計，
横浜市条例に基づく環境影響評価，PCB 廃棄物処
理施設の設置，「異物混入土」の掘削，PCB 廃棄物処理施設の運転，施設の解体などを担当した。なお，処理対象物が PCB 廃棄物であることから廃棄物処理法の認定を受けた技術で行う必要があり，還元熱化学分解方式の処理技術であるジオスチー
ム TM 法により行った。
（「ジオスチーム」は㈱東芝が商標登録した名称）
本報文では，国内で初めて市街地において PCB
廃棄物の現地無害化処理を行った工事の状況について報告する。

○ 縁田
柏熊
橘

正美
伸治
敏明

受 注 者：㈱鴻池組横浜支店
工期：平成 21 年 2 月 28 日～平成 25 年 10 月
31 日
実 処 理：平成 24 年 2 月 20 日～平成 25 年 6 月
15 日
工事種類：PCB 廃棄物処理施設の設置および PCB
廃棄物の現地処理（国土交通省および横浜市の自ら処理）
工事位置：横浜市港北区小机町および鳥山町地先（鶴見川多目的遊水地内）
工事規模：事業実施区域
約 40,000m2
敷地面積
約 10,000m2
建築面積
約 3,300m2
処理対象：異物混入土のうち，PCB などの濃度が比較的高い一時保管土 A（PCB 産業廃
棄物）
5,828m3
３．現地の状況と処理対象
3.1 現地の状況
事業実施区域は，鶴見川多目的遊水地の下流部
で鶴見川と鳥山川が合流する付近（写真-1，図-1）
であり，異物混入土はこの範囲の遮水構造の施設内に保管されていた。

N
JR 小机駅

鶴見川
多目的遊水地日産スタジアム

鶴見川

鳥山川

事業実施区域

JR 新横浜駅

２．工事概要工 事 名：鶴見川遊水地土壌改良工事
発 注 者：国土交通省関東地方整備局

写真-1- 101 -

鶴見川多目的遊水地および事業実施区域

異物混入土のうち，無害化処理対象の一時保管
土 A 約 5,800m3 は，図-2 に示すように，一時保管
土 B 約 95,000m3 （濃度の低い異物混入土：PCB≦
10mg/kg[ 底 質 の 除 去 基 準 ] ， ダ イ オ キ シ ン 類 ≦1,000pg-TEQ/g）の内側に保管されていた。

ったまま設置した。
一時保管土 A の掘削から浄化物の外部処分までの全体フローを図-4 に，また，ジオスチーム TM 法の概要を次頁に示す。
煙突(プロセス排ガス)

前室

前処理
建屋

浄化土
仮置建屋

作業員建屋
掘削建屋

運転管理室

無害化
処理建屋

前室

作業員
建屋

煙突
(LPG 排ガス)

掘削ヤード
無害化処理ヤード

情報公開室

工事説明
看板
鳥山ゲート

図-3
図-1

主要設備（建屋）の配置

異物混入土の一時保管状況
前室
一時保管土 B

比較的濃度の高い異物混入土はさらに頑丈なふたをする

一時保管土 A

前室

鉛直遮水壁 A はセメントと鋼製の板で構成

二重に遮断

図-2

異物混入土の保管状況(A-A’断面)
図-4

平成 14 年度実施調査では，一時保管土 A の水分（平均）は 46.7％，固形分（平均）は 53.3%であり，固形分の内訳（平均）は，土壌 56.4%，不燃物 36.1%，可燃物 7.6％であった。一時保管土 A の成分組成を表-1 に示す。
表-1

成
（
ー
）

ス

）

乾
ベ

（

分

）

成

一時保管土 A の掘削は，負圧管理された掘削建屋内で行い，
建屋からの排気は活性炭および HEPA
フィルタ付き集塵機を通して浄化した。掘削した一時保管土 A は，掘削建屋内で専用の鋼製運搬容器(1m3)に詰めて密閉した。

一時保管土 A の成分組成（平成 14 年度実施）

項目 ＼ 検体
異 紙類
物
厨芥類
可 繊維類
燃
物 木竹類
可燃物計
プラスチック類
異物 ゴム・皮革類
がれき類
不 金属類
燃
ガラス類
物
陶器類
不燃物計
礫（粒径20mm以上）
土壌（2～20mm）
土
土壌（2mm未満）
土壌計（

組

無害化処理全体フロー

No.1
1.9
0.9
0.8
4.4
8.1
7.2
2.4
14.5
3.1
9.1
2.6
38.9
0.0
13.9
39.2
53.1

No.2
1.3
1.0
0.2
6.2
8.7
4.5
1.1
18.9
4.2
3.5
1.3
33.5
0.0
17.4
40.4
57.8

No.3
0.5
0.4
0.8
3.9
5.5
4.4
0.1
17.1
3.3
4.7
5.4
35.1
0.0
14.3
45.1
59.4

No.4
0.2
0.7
1.1
6.0
7.9
11.4
2.5
9.7
0.9
3.5
8.6
36.7
0.0
16.8
38.7
55.4

平均
1.0
0.8
0.7
5.1
7.6
6.9
1.5
15.1
2.9
5.2
4.5
36.1
0.0
15.6
40.9
56.4

写真-2

４．無害化処理4.1 設備配置
本工事の主要設備（建屋）の配置を図-3 に示す。
掘削ヤード建屋は B=32m、L=40m の移動式で，工事期間中に 2 回移設（3 位置で掘削）した。無害化処理施設は一時保管土 B の上に，遮水構造を保掘削建屋内での掘削状況

掘削建屋前室より屋外専用のフォークリフトで輸送用トラックに運搬容器を積込み，積載したト
ラックは事業敷地内を通って無害化処理ヤードに移動，前処理建屋内に容器を搬入し，一時保管土A を展開ヤードで検査した後，二軸破砕機および裁断機により粒度調整と撹拌混合して均質化した。

- 102 -

に含まれる微量の汚染物質を除去するとともに，
4.2 ジオスチーム TM 法の概要
TM
ジオスチーム 法は，㈱東芝，東芝環境ソリュ 低分子の可燃性ガスを処理する。
水蒸気分解プロセスを通過したガスには一酸化ーション㈱（旧社名：㈱テルム），㈱鴻池組により開発された技術であり，PCB 等処理技術調査検討 炭素やメタン，水素などの可燃性ガスが含まれる。
委員会の技術評価を取得している。ジオスチーム これらのガスは，温度を約 1,000℃に保ったまま空気を添加することで酸化処理し，水蒸気及び二酸法の処理フローを図-6 に示す。
化炭素とする。酸化処理後のガスはクエンチャー(1) 間接熱脱着プロセス
間接熱脱着プロセスでは PCB 廃棄物を間接加熱 内で冷却水を噴霧して急速冷却し，ガス中の水蒸して，廃棄物中の汚染物質をガス化して分離する。 気を水として回収する。また，ガス中に含まれる
間接熱脱着装置に投入した廃棄物は，気密性を 塩化水素などの酸性ガスも冷却水中に捕捉する。
保持できる間接熱脱着装置のチャンバー内に投入 冷却後のガスは，HEPA フィルタ及び活性炭を通しされる。チャンバー内ではスクリューオーガーに て大気へ放出する。
より投入部より中央部を経て排出口側に１時間程度で搬送される。チャンバー外面はバーナーにより加熱されて，内部の廃棄物はチャンバー内面から伝熱される熱により温度が 400℃～700℃に上昇
し，水分及び PCB やダイオキシン類等の汚染物質をガス化して分離することで浄化される。浄化された廃棄物は，気密性を保ちながら排出され，水処理後の処理水を加えて湿潤状態の浄化物となる。
(2) 水蒸気分解プロセス
水蒸気分解プロセスでは，間接熱脱着プロセスで分離したガス状の汚染物質を分解する。間接熱
脱着プロセスで廃棄物から分離した汚染物質や水
図-5 水蒸気分解プロセスにおける反応模式図
分は，ガス体のまま水蒸気分解プロセスに導入される。このガスは，水蒸気分解装置内に設置されこれらの処理は，ガスの流れの上流端である間た間接加熱式ヒーターにより約 1,100℃まで加熱・3 秒以上保持されることで水蒸気と有機物が反 接熱脱着プロセスのチャンバー内が負圧に保たれ応し，PCB やダイオキシン類等の有機塩素化合物 るように排ガス処理装置の終末に設置したブロワは一酸化炭素，二酸化炭素，メタン，水素，塩化 の吸引により負圧管理しながら行われる。このため，処理経路全域が負圧となっており，処理の途
水素などに分解される。
中で装置外に漏洩することはない。
(3) 排ガス処理プロセス
排ガス処理プロセスでは水蒸気分解後のガス中

汚染物

排ガス処理プロセス

添加空気

水処理プロセス
汚染物を間接加熱して
浄化物

図-6

ジオスチーム TM 法の処理フロー- 103 -

(4) 水処理プロセス
本施設は，横浜市より PCB 廃棄物の自ら処理
水処理プロセスではガス処理装置で回収し，余 施設の設置許可を受けて，平成 24 年 2 月 20 日試剰となった水分を浄化する。
運転（第１クール※）を開始し，平成 25 年 6 月
間接熱脱着プロセスで汚染物から蒸発・分離し 15 日まで 16 ヶ月間の無害化処理供用運転（全 31
た水分は排ガス処理プロセスのクエンチャーで冷 クール）を実施した。なお，無害化設備の処理能却され，冷却水の一部として回収されて余剰水と 力は，機械仕様と処理対象物の性状より 1.2t/時
して排出される。この余剰水には、間接熱脱着プ （28.8t/日）として申請した。
ロセスで発生した土壌由来の SS 分が含まれ，また， ※：1 クールは 14 日間で，設備昇温 0.5 日+10.25 日連続処理+設備冷却 0.5 日+メンテナンス 1.25 日+休日 1.5 日を標準。
汚染物に水銀などの揮発性の重金属が含まれている場合にはそれらも水中に存在することがある。
このため，水処理プロセスでは，水中の SS 分や水銀などの有害物質を除去する。処理水は浄化土
壌の加湿水として再利用できる。
4.3 処理実績(1) 処理対象物の汚染状況と処理目標
本工事の処理対象物「一時保管土 A」の汚染状
況を表-2 に，処理目標を表-3 に示す。
表-2

一時保管土 A の汚染状況

項目

分析値

基準値

基準値根拠

PCB

含有量試験で最大 19.2mg/kg（処理中の最大 25mg/kg）

10mg/kg

底質の暫定除去基準

溶出試験では不検出

不検出

S48.総令第 5 号

ダイオキシン類

最大 2,300pg-TEQ/g

1,000 pg-TEQ/g

土壌環境基準全水銀

溶出試験で最大 0.0087mg/L

0.005 mg/L

S48.総令第 5 号

油分

油膜あり

油膜の有無

―

全シアン

溶出試験で最大 0.5mg/L

不検出

土壌環境基準鉛

溶出試験で最大 0.29mg/L

0.1mg/L

S48.総令第 5 号

ふっ素

溶出試験で最大 17mg/L

15mg/L

S48.総令第 5 号

ヒ素

溶出試験で最大 0.074mg/L

0.01mg/L

土壌環境基準写真-3

無害化処理施設全景

写真-4

無害化処理建屋内

注）一時保管対策前の調査結果のうち、基準値を超過した項目のみを表示（PCB は処理中の分析値のうち最大値を併記）

表-3

一時保管土 A の処理目標

処理対象

処理目標（工事の特記仕様書）

ＰＣＢ含有量0.1mg/kg 以下

ＰＣＢ溶出量0.003mg/Ｌ以下

ダイオキシン類

150pg ｰ TEQ/g 以下

重金属類

産業廃棄物に係る判定基準を満たすこと(2) 全体工程
全体工程を表-4 に示す。工期は，平成 21 年 2 月
28 日から平成 25 年 10 月 31 日までの 4 年 8 ヶ月であった。
施設設置に係る着工関係法令手続きと機械設計・製作に約 2 年 7 ヶ月を要し，現地着工後は，機械設置 4 ヶ月，完成検査 1 ヶ月，無害化処理 16
ヶ月，解体撤去・原状回復を 4 ヶ月で実施した。
表-4(3) 外部処分処理後の異物混入土は，浄化土建屋内のピットに保管し，分析により PCB 廃棄物の卒業基準を満足することを確認するとともに，ダイオキシン類などが処理基準値を下回ることを確認した後，通常の産業廃棄物として外部処分した。

全体工程

H21年度

H22年度

H23年度

H24年度

H25年度

10～
10～
10～
10～
10～
1～3 4～6 7～9 12 1～3 4～6 7～9 12 1～3 4～6 7～9 12 1～3 4～6 7～9 12 1～3 4～6 7～9 12

関係法令手続き
環境影響評価廃棄物処理施設設置許可申請
許可申請書（仮設建築物等）
土壌汚染対策法

方法書 → 準備書 → 評価書 →審査書→ 報告書（7/15～公告）

事後調査報告書
許可9/15
5/10 許可申請
1/17 使用前検査
5/25申請特定施設設置届書
指定所事業所設置届出書
鶴見川遊水地土壌改良工事
機械設計
機械製作
準備工・設備設置
試運転（清浄土）

1/11 建築検査第14条指定の申請 形質変更届
大気、水質、下水、騒音、振動、ダイオキシン

設計
製作▼着工9/20
試運転
実処理（PCB廃棄物）

3

実処理（保管土A；5,800m ）
解体撤去
地元説明会
工事説明会

解体・撤去

条例アセス説明会

住民説明会

写真-5

- 104 -

浄化土建屋内での浄化物積込み状況

表-7
監視対象
（試料名称）

③

）

プ
大
ロ
気
セ
放
ス
出
排
ガ
ガ
ス
ス

④LPG 燃焼排ガス③プロセス排ガス①異物混入土

燃
L
焼
P
ガ
G
ス

④
⑤原水

分析結果

単位

1-1

1-2

測定値の規制値、基準値等

ng-TEQ/m3

0.0000017

0.0000017

0.1

特記仕様書

PCB

mg/m3

0.0000022

0.0000039

0.01

特記仕様書

ばいじん (12%O2)

g/m3<0.001<0.001

0.01

特記仕様書

硫黄酸化物

ppm

<0.1

<0.1

5

特記仕様書

窒素酸化物 (12%O2)

ppm

56

47

250

大防法

ふっ素

mg/m3

<0.2

<0.2

2.5

市条例

シアン

mg/m3

<0.08

<0.08

11.6

市条例

塩化水素 (12%O2)

mg/m3

<1

<1

50

市条例

鉛

3

mg/m

<0.3

<0.3

10

市条例

水銀

mg/m3

<0.01

<0.01

0.05

特記仕様書

硫黄酸化物

ppm

0.1

0.1

5

特記仕様書

窒素酸化物 (12%O2)

ppm

59

55

250

大防法

塩化水素 (12%O2)

ppm

<1

<1

50

市条例

ばいじん (12%O2)

g/m3<0.001<0.001

0.01

特記仕様書

冷却水および処理水分析結果（試運転）

表-8

⑥処理水

排ガス分析結果（試運転）分 析 項 目
ダイオキシン類（

処理実施時の状況については，環境影響評価における事後調査計画に基づき実施した。
第 1 クールは異物混入土（一時保管土 A）を用いた試運転と位置づけて処理運転を行なった。試料採取箇所を図-7 に，試運転時の測定結果を表-5～表-8 に示す。

分析結果（１クール）
対象物質（試料名称）

分 析 項 目単位

2/22採取2/28採取

検出されず

検出されず

検出されず

pg-TEQ/L

1.6

0.000360.00013

10

水銀

mg/L

0.18

0.0011<0.0005

0.005

対象物質
（試料名称）

（

①

）

異
処物
理混
前入
土

分 析 項 目対象物質
（試料名称）

（

②

）

処浄
理化
後物

単位

分析結果
1-1

1-2

mg/kg

4.4

2.6

ダイオキシン類

pg-TEQ/g

140130

カドミウム（含有）

mg/kg

<10

<10

シアン（含有）

mg/kg

<10

<10

鉛（含有）

mg/kg

250

220

六価クロム（含有）

mg/kg

<10

<10

砒素（含有）

mg/kg

<10

10

水銀（含有）

mg/kg

<10

<10

セレン（含有）

mg/kg

<10

<10

ふっ素（含有）

mg/kg

120

80

ほう素（含有）

mg/kg

40

40

分 析 項 目

mg/L

<0.1

<0.1

<0.1

1

鉛

mg/L

0.69

<0.005<0.005

0.1

ふっ素

mg/L

8.4

3.7

5.7

8

ク及
エび
ン処
チ理
水

砒素

mg/L

0.40

検出されず

検出されず

0.1

ｐＨ

－

8.5(20℃)

8.0(20℃)

8.2(21℃)

5～9

SS

mg/L

11000

3

<1

600

温度

℃

13

－

－

45℃以下

水

カドミウム

mg/L

0.055

<0.005<0.005

0.1

六価クロム

mg/L

<0.04

<0.04

<0.04

0.5

セレン

mg/L

0.10

<0.005

0.005

0.1

ほう素

mg/L

0.7

<0.1

0.5

10

有機リン

mg/L

<0.1

<0.1

－

0.2

アルキル水銀

mg/L

検出されず

検出されず

－

検出されないこと投入土壌の性状（試運転）

PCB（含有）

表-6

シアン
原
水

）

表-5

⑤
⑥

表-9

測定値の
規制値、基準値等

分析項目

ダイオキシン類
ＰＣＢ
鉛
処理のためのデータ収集（規制値、基準値等はなし）

カドミウム
シアン
六価クロム
砒素
水銀

浄化物分析結果（試運転）
単位

分析結果
1-1

1-2

測定値の規制値、基準値等

セレン
ふっ素

浄化物分析結果（供用中）
7クール

13クール

19クール

25クール

31クール

含有量

6.6

0.00203.7

0.018

0.0033150

環境基準（底質）

含有量

mg/kg

0.1

<0.1

<0.1

<0.1

<0.1

0.1

特記仕様書

溶出量

mg/L

<0.0005<0.0005<0.0005<0.0005<0.0005

0.003

特記仕様書

含有量

mg/kg

410

280

470

760

560

1500

受入基準1)

溶出量

mg/L

0.008

<0.0050.037<0.005<0.005

0.3

特記仕様書

含有量

mg/kg

<10

<10

<10

10

<10

－

溶出量

mg/L

<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005

0.3

含有量

mg/kg

<10

<10

<10

<10

<10

－

－

溶出量

mg/L

<0.1

<0.1

<0.1

<0.1

<0.1

1

特記仕様書

含有量

mg/kg

<10

<10

<10

<10

<10

－

溶出量

mg/L

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

1.5

含有量

mg/kg

30

20

<10

20

20

－

－

溶出量

mg/L

<0.005<0.005

0.008

0.007

0.009

0.3

特記仕様書

含有量

mg/kg

<10

<10

<10

<10

<10

－

溶出量

mg/L

<0.0005<0.0005<0.0005<0.0005<0.0005

0.005

含有量

mg/kg

<10

<10

<10

<10

<10

－

溶出量

mg/L

<0.005<0.005<0.005<0.005<0.005

0.3

含有量

mg/kg

<10

80

40

30

70

－

溶出量

mg/L

1.7

1.8

1.9

2.1

1.0

－

－

含有量

mg/L

<10

60

40

50

50

－

－

溶出量

mg/kg

1.4

1.1

0.9

0.7

0.2

－

－

pg-TEQ/g

6.2

7.2

150

環境基準（底質）

PCB（溶出）mg/L<0.0005<0.0005

0.003

特記仕様書

PCB（含有）

mg/kg

<0.1

<0.1

0.1

特記仕様書

ほう素

カドミウム（溶出）mg/L<0.005<0.005

0.3

産廃判定基準1)

注1)受入基準は，セメント原料としての工場の受入基準を示す。

シアン（溶出）

mg/L

<0.1

<0.1

1

特記仕様書

鉛（溶出）

mg/L

<0.005

0.007

0.3

特記仕様書

六価クロム（溶出）

mg/L

<0.04

<0.04

1.5

産廃判定基準1)

砒素（溶出）

mg/L

0.007

0.012

0.3

特記仕様書

水銀（溶出）

mg/L<0.0005<0.0005

0.005

特記仕様書

セレン（溶出）

mg/L

0.005

<10

0.3

産廃判定基準1)

ふっ素（溶出）

mg/L

1.1

0.77

－

ほう素（溶出）

mg/L

0.2

0.2

－

供用中の処理後浄化物の分析結果を表-9 に示す。処理後の異物混入土は，浄化土建屋内のピットに保管し，分析により PCB とダイオキシン類
が処理基準値を下回ることを確認した後，産業廃棄物（汚泥）としてセメント工場へ再資源化原料として搬出リサイクルした。

測定値の規制値，基準値等単位
pg-TEQ/g

ダイオキシン類

注１）産廃判定基準は「金属等を含む産業廃棄物に係る判定基準を定める省令」の基準値を示す。

0.003

ャー

第 1 クールでは，投入対象物（PCB 廃棄物）の性状，浄化物の分析結果，排ガス性状，冷却水（クエンチャ－水）および処理水分析結果に着目した。
その結果，規制値や基準値を越えた項目はなく，全ての装置が正常に機能し，確実な処理が行われたことを確認して処理運転に移行した。

測定値の規制値、基準値（下水放流基準）2/22採取ダイオキシン類

処理フローと試料採取箇所

処理水(1-2)（

図-7

処理水(1-1)

mg/L

PCB

②浄化物

原水(1-1)－
産廃判定基準－産廃判定基準－特記仕様書－
産廃判定基準－その発生量は，処理設備で異物混入土中の水分が揮発し，また有機物の一部がガス化するため，無害化処理設備へ投入した重量（9,248.1t）に対して，7,601.3t と約 82％に減量した。
供用中の周辺環境調査結果を表-10 に示す。全
ての分析項目で環境基準値等を下回った。また，供用中の排ガス分析結果についても大気汚染防止法及び横浜市条例の基準を下回った。
無害化処理に伴い発生する余剰水は，廃水処理
設備で処理した後，公共下水道に放流した。処理
水は，何れの分析値も下水の水質基準などを下回る数値であった。

- 105 -

表-10

周辺環境調査結果（供用中）
調査結果

分析項目

単位

二酸化硫黄

ppm

二酸化窒素

ppm

浮遊粒子状物質

ダイオキシン類
塩化水素

摘要

3

環境基準等
H24.3.7～13

H25.2.20～26

日平均値

0.001～0.003

0.002～0.003

期間平均値

0.002

0.002

1時間最大値

0.008

0.008

日平均値

0.019～0.034

0.014～0.033

期間平均値

0.026

0.024

1時間最大値

0.048

0.049

日平均値

0.004～0.035

0.005～0.020
0.013

1)

0.02

0.1
0.06
0.2
0.1

期間平均値

0.015

1時間最大値

0.090

0.032

0.2

pg-TEQ/m

期間平均値

0.037

0.0069

0.6

㎎/m

3

ppm

日平均値

＜0.0002～0.0011<0.0002～0.0004

0.02

水 銀

μg/m3

日平均値

＜0.0003～0.0019

0.0010～0.0028

0.04

ＰＣＢ

μg/m

3

期間平均値

0.000082

0.000102

0.5

注1）横浜市環境目標達成のための指針を示す。

敷地周辺におよぼす騒音，振動，低周波音については，騒音および低周波音調査位置が道路交差点付近であり，自動車騒音（暗騒音）の影響を受けた数値となったが、施設の稼働にともなう騒音レベルを推計した結果，全ての時間帯で規制基準を下回った。
５．安全対策
本工事の着工準備期間中であった平成 23 年 3月 11 日に発生した東日本大震災を受け，無害化処理施設の運転に関する安全対策の強化を図った。特に設備に深刻な被害が想定される運転中の地震などによる「電源喪失」を想定した緊急時対応訓練を期間中に 6 ヶ月以内毎に 3 回実施したほか，台風などの強風や大雨などの自然災害，火災や運搬中の汚染物転倒漏洩対応などの訓練を実施し万全を期した。

６．おわりに
鶴見川多目的遊水地土壌無害化処理事業は平成 11 年に PCB などを含む異物混入土が発見されて以来，14 年を要してようやく比較的濃度の高
い一時保管土 A の無害化処理および搬出処分の工事を完了した。
工事の実施に当たり，学識経験者や横浜市，周辺住民の方および国土交通省から構成される無害化処理技術評価委員会などの指導を受けながら，市街地において国内初の PCB 廃棄物現地無害化処理を無事終えることができた。
工事中は工事用ゲート部に周辺住民への工事概
要や進捗状況の説明看板を設置するとともに，情報公開室を設置して常時無害化処理状況の情報発
信を積極的に行った。また横浜市 HP に，廃棄物処
理施設の設置許可に関する情報や環境影響評価に関する最新情報を公開しながら工事を実施した。
本工事は，国内で初めての市街地における PCB
廃棄物現地無害化処理工事であったが，大きなト
ラブルを生じることなく，今回工事の処理対象物の一時保管土Ａ全量を処理することができた。
今後も本工事における経験を活かし，安全確実
で周辺環境への影響を最小限に抑ながら PCB や
ダイオキシン類などの難分解性物質に汚染された環境の回復に貢献したいと考える。
参考文献
1)

国土交通省関東地方整備局・横浜市：鶴見川多目的遊
水地土壌無害化処理事業

環境影響評価書，2010.112） 轟木朋浩ほか：間接熱脱着＋水蒸気分解法によるダイ
オキシン類汚染土壌浄化技術，土壌環境センター技術
ニュース，No.9，pp.24-29，2004.11
3)

中島卓夫ほか：水蒸気分解法の大型設備による PCB 汚
染土壌の浄化，第 15 回地下水・土壌汚染とその防止に関する研究集会論文集，pp.368-373，2009.6

4)

国土交通省関東地方整備局・横浜市：鶴見川多目的遊
水地土壌無害化処理事業に係る環境影響評価 事後調
査結果報告書，2013.12

5)

縁田正美ほか：鶴見川多目的遊水地における PCB 廃棄物の現地無害化処理工事，鴻池組技術研究報告 Vol.24，
pp.1-8，2014.7

写真-6

無害化処理設備の解体状況- 106 -

26．バイオディーゼル燃料を使用した場合の排出ガス計測について
車載型排出ガス計測装置を使用した計測事例(独)土木研究所(独)土木研究所(独)土木研究所

１．はじめに
建設機械の排出ガス規制では，一律に規定された運転条件での排出ガス値で適合の可否が決定されるため，その値と，実際の稼働時における運転条件での排出ガス値とは，必ずしも一致しない。
実際の運転条件によっては，規制値を上回ることもあり得る。そのため，筆者の所属する土木研究所では，建設機械排出ガスの排出実態を調査する方法として，車載型排出ガス計測装置を使用した方法を行ってきている。1)この方法では，建設機械の実際の稼働状態での排出ガス値を計測することが出来るため，実際の現場における様々な条件での排出実態を把握することが可能である。
本論文では，車載型排出ガス計測装置を使用して，燃料にバイオディーゼル燃料を使用した場合の排出ガス値について計測した結果を報告する。
バイオディーゼル燃料は，温室効果ガス低減に資する燃料として，工事現場での使用が見受けられるようになってきているものである。一方，軽油を使用する場合と比較して幾つかの問題点が指摘されている。例えば，エンジン系統に発生する不具合の問題，実際に排出される排出ガスの問題，
供給価格や供給量に関する問題等である。その中で，不具合や供給に関する問題については，燃料を使用するユーザ側に影響する問題であるが，排出ガスの問題については，生活環境，従って一般の住民の方々にも影響の及ぶ問題である。そのため，少なくとも排出ガスについては，軽油と比較しての増減の程度を確認しておく必要があると考える。なお，排出ガスの評価をするに当たっては，軽油と異なる点として，次の２点を課題として考慮した。１つ目は，工事現場で使用されているバイオディーゼル燃料が廃食油を原料にしたものあり，生産者により，その品質が異なる。そのため，排出ガスもそれぞれの燃料で異なる可能性があること。２つ目は，軽油と成分が異なることから，
排出ガス規制で指定されている物質以外にも，有害な物質が排出される可能性があることである。

○ 杉谷 康弘
藤野 健一
橋本 毅

２．計測方法
2.1 計測の概要
計測対象とするバイオディーゼル燃料は，廃食用油を原料とする生産者の異なる５種類を用意した。また，排出ガス計測装置は，車載型の FTIR 方式のものを使用した。この計測装置は，排出ガス
規制物質だけでなく，様々な物質についての計測が可能であるという特徴を有している。計測は，排出ガス規制物質，PRTR 制度（化学物質排出移動量届出制度）対象物質，温室効果ガスの 17 種類について行った。なお，計測用の建設機械には不整
地運搬車を使用した。以下，計測における各条件等についての詳細を記載する。
2.2 バイオディーゼル燃料
日本国内では，軽油との混合を行わないでバイオディーゼル燃料 100%で使用する場合（通常 B100と呼ばれる。
）の強制規格は定められていない。そのため市場には様々な品質のバイオディーゼル燃料が存在している。計測する燃料の選定に当たっては，建設機械に不具合が生じた場合の損失を考えると，燃料使用者が低品質の燃料を使用することは考えにくいことから，生産者にヒアリングを行い，ある程度の使用実績があり，大きな不具合が発生していないことを確認したものを選定した。
また，原料となる廃食用油の回収や販売先への輸送費の観点から地産地消の傾向が強い。そのため，生産者の地域については一部に固まらないように，
5 つの地方整備局の管内からそれぞれ 1 つを選定した。表-1 に各燃料の品質検査（試験は一般社団法人日本海事検定協会理化学分析センターに委託。）をした一部を示す。表中の協議会規格欄は，民間組織である全国バイオディーゼル燃料利用推進協議会が作成した「バイオディーゼル燃料の製造・利用に係るガイドライン」において規定されている規格値である。強制力は無いが，B100 で使用する場合の品質の目安とされている。
2.3 車載型排出ガス計測装置
排出ガス計測装置は岩田電業株式会社の車載型
FTIR 排出ガス分析装置（機種名 FAST-2200）を使- 107 -

用した。自動車等に車載することを前提に設計されているものであり，比較的コンパクトかつ堅牢になっている。計測時の振動や衝撃対策として，設置する際には，専用の緩衝バネを持つ取付台を使用する。装置の構成は，筐体 2 個（サンプリン
グユニット，検出ユニット），パソコン 2 台，窒素
ガスボンベからなっている。電源は，直流電源（DC24V,100Ah）または交流電源（AC100V,15A）で駆動する。同時に 15 種類の成分を 5Hz で連続計測することが可能であり，計測した値は，パソコンの画面でその場でモニターすることができる。
また，計測後にサンプルスペクトルを再解析する
ことで，排出ガスに含まれる 240 種類以上の成分を分析することが可能である。表-2 に計測装置の主な仕様を示す。
表-1

バイオディーゼル燃料の品質

項目

単位

5種類のバイオディーゼル燃料
F1
F2
F3
F4
F5

エステル分

質量%

94.8

94.7

97.4

97.1

動粘度(40℃)

mm2/s 4.291 5.271

4.541

4.555 4.254

3.50以上5.00以下

水分

mg/kg

1339

70

377

413

500以下

メタノール

質量%

0.01
未満

0.03

0.04

0.01
未満

0.02 0.20以下

トリグリセライド

質量%

0.49

0.61

0.75

0.85

遊離グリセリン

質量%

0.01
未満

0.01
未満

0.01
未満

0.01
未満

0.1
0.20以下未満
0.01
0.02以下
未満

流動点

℃

-2.5

-12.5

-12.5

-7.5

-5.0 気候による

目詰点

℃

-5

-3

-6

-8

-7

表-2

350

協議会規格

99.4 96.5以上

気候による車載型排出ガス計測装置の主要仕様
仕様

項目
サンプルガスライン仕様

項目

サンプリングユニット

検出ユニット1ライン

測定赤外線波長-1400cm ～7000cm-1-1

サンプル流量5～15L/min

分解能

0.5cm

サンプルライン温度

150℃, 191℃

サンプリング周期

5Hz以下の任意周期

外形寸法(W×D×H)

455×450×365mm

ガスセル容量/温度

200mL/150℃,191℃

重量

48kg

測定光路波長5.11m

2.5秒以内外形寸法

483×645×311mm

重量

50kg

応答速度(T0-90)
再現性

フルスケールの±1%検出濃度限度表-3を参照

表-3
項目
排
出
ガ
ス
規
制
物
質
温
室
効
果
ガ
ス

2.4 排出ガス計測成分
サンプルスペクトルの再解析を含めて，表-3 の排出ガス成分について計測を行った。表-3 の右欄の数字は，今回使用した車載型排出ガス計測装置の各成分に対する検出濃度限度の目安（値は目安であり，混合するガス種と濃度により上下する場合がある。）を示している。なお，ディーゼル黒煙については，別途，オパシメータ（光透過式スモークメータ）（株式会社堀場製作所 MEXA-600SW）を使用して計測した。
2.5 不整地運搬車
計測には，ヤンマー建機株式会社ゴムクローラ
キャリア（機種名 C30R）を使用した。搭載エンジンは，平成 18 年排出ガス規制対応の定格出力25.4kW/3000min-1，自然吸気 3 気筒直噴型（名称
3TNV88-BDFW）のもので，コモンレールや EGR，
酸化触媒，DPF 等は装備していない。
2.6 その他の計測機器等
車載型排出ガス計測装置の他に，排出ガス流量計（株式会社堀場製作所 OBS-1000 のピトー管式排出ガス流量計測機能を利用。），燃料流量計（株式会社小野測器 MF-3200），エンジン回転計（株式会社小野測器 GE-2500）を搭載した。また，これらの電源としてインバータ発電機（定格出力 2.0kVA）を搭載した。不整地運搬車の荷台に計測機器等を搭載した状況を写真-1 に示す。

排出ガス成分

推奨設置環境

検出濃度
項目
限度目安
7 ppm

一酸化炭素(CO)

4 ppm

ディーゼル黒煙二酸化炭素(CO2)写真-1

排出ガス計測成分

窒素酸化物(NOx)炭化水素(HC)

5℃～35℃
相対湿度80%以下

(オパシ
メータ)
0.30 %

メタン(CH4)2 ppm

亜酸化窒素(N2O)

1 ppm

P
R
T
R
制
度
対
象
物
質

排出ガス成分検出濃度
限度目安

アクロレイン

13 ppmアセトアルデヒド

13 ppmエチルベンゼン

6 ppm

キシレン

9 ppm

スチレン

7 ppm

1,3,5-トリメチルベンゼン

5 ppm

トルエン

8 ppm

1,3-ブタジエン

3 ppm

ベンズアルデヒド

10 ppmベンゼン

30 ppmホルムアルデヒド

2 ppm

計測装置の不整地運搬車への搭載状況

2.6 運転方法
排出ガスの計測は，不整地運搬車を平坦なアス
ファルト舗装の上を走行させて行った。今回使用した不整地運搬車では，操作条件が変わる要因として，アクセルペダルによるエンジン回転数の変更と，レバーの切り替えによる中立（ニュートラ
ル）・低速走行モード・高速走行モードの変更がある。これらを組み合わせた不整地運搬車の運転条
件（エンジンの運転条件）を表-4 に示す。それらの運転条件を順番に一通り行い，最後の運転条件- 108 -

エンジン低回転でのアイドリング
エンジン中回転でのアイドリング
エンジン中回転での低速走行
エンジン中回転での高速走行
エンジン高回転でのアイドリング
エンジン高回転での低速走行
エンジン高回転での高速走行

500

FK
F1
F2
F3
F4
F5

400
300
200
100
LI

MI

MS

図-1

MF

HI

HS

HF

窒素酸化物濃度450

不整地運搬車の運転条件

運転条件

600

0

運転条件 エンジン 走行操作
の記号
回転数
レバー
LI
低
中立
MI
中
中立
MS
中
低速
MF
中
高速
HI
高
中立
HS
高
低速
HF
高
高速

一酸化炭素 CO濃度 (ppm)

表-4

700

窒素感化物 NOx濃度 (ppm)が終わったら，再度最初の運転条件から繰り返す
ことで，それぞれの運転条件に付き 3 回分のデータが得られるようにした。
なお，一つの燃料の計測が終了後，別の燃料に入れ替える作業は次のとおり行った。燃料タンク，
ウォータセパレータ，燃料ホース，燃料流量計内に残っている分については，可能な限り燃料を除去した。また，燃料フィルタは燃料毎に交換を行った。新しい燃料を入れた後，しばらくエンジンを運転し，エンジンからリターンしてくる分を燃料タンクに戻さずに破棄した。その後，ホースを通常の配管に戻し，十分に運転を行ってから新しい燃料の計測を行った。

400
350
FK
F1
F2
F3
F4
F5

300
250
200
150
100
50
0
LI

MS

図-2

MF

HI

HS

HF

一酸化炭素濃度

炭化水素 HC濃度 (ppm)

250
200
FK
F1
F2
F3
F4
F5

150
100
50
0
LI

MI

MS

図-3

MF

HI

HS

HF

炭化水素濃度0.160.14

光吸収係数（m-1）

３．測定結果3.1 排出ガス規制物質
窒素酸化物，一酸化炭素，炭化水素の排出ガス濃度を図-1～図-3 に示す。横軸の各記号は表-4 の運転条件の記号である。各プロットは燃料毎の値を示しており，凡例の FK は軽油を，F1～F5 は表-1 の各バイオディーゼル燃料である。なお，軽油との比較をわかりやすくするため，軽油について
は各プロットを線で結んでいる。
ディーゼル黒煙の値（光吸収係数）を図-4 に示す。横軸の各記号は各燃料を示す。なお，光吸収係数は，値が大きいほどディーゼル黒煙濃度が高いことを意味する。
3.2 PRTR 制度対象物質
ホルムアルデヒドの排出ガス濃度を図-5 に示す。
表の見方は窒素酸化物等と同様である。また，各燃料に含まれるメタノールの濃度に対するホルム
アルデヒドの濃度を図-6 に示す。凡例に示す運転
条件毎に近似直線を記入しているが，直線が右肩上がりならば，メタノール濃度とホルムアルデヒ
ド濃度に正の相関があることを意味する。
なお，ホルムアルデヒド以外の PRTR 制度対象物質については，今回使用した計測装置の検出濃度限度を超えた値は計測されなかった。
3.3 温室効果ガス
二酸化炭素及びメタンの排出ガス濃度を図-7 に示す。亜酸化窒素は検出濃度限度以下であった。

MI- 109 -

0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
FK

F1

F2

F3

F4

図-4

ディーゼル黒煙濃度

F5ﾎﾙﾑｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ CH2O濃度 (ppm)

14
12
10

FK
F1
F2
F3
F4
F5

8
6
4
2
0
LI

MI

MS

HS

HF

ホルムアルデヒド濃度

14
12
LI
MI
MS
MF
HI
HS
HF

10
8
6
4
2
0
0

図-6

二酸化炭素 CO2 (%)

HI

0.01

0.02
0.03
0.04
メタノール濃度 (質量%)0.05

メタノール濃度とホルムアルデヒド濃度の相関

9

4.5

8

4

7

3.5

6

3

5

2.5

4

2

3

1.5

2

メタン CH4 (ppm)

ﾎﾙﾑｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ CH2O濃度 (ppm)

図-5

MF

1

1

CO2

0.5

CH4

0

0

LI

MI

図-7

MS

MF

HI

HS

HF

FK
F1
F2
F3
F4
F5
FK
F1
F2
F3
F4
F5

二酸化炭素濃度・メタン濃度

４．考察
異なる５つのバイオディーゼル燃料の排出ガスについて，次のことを確認することができた。
まず排出ガス規制物質であるが，窒素酸化物については，5 つの燃料とも同様の傾向を示し，軽油とも同様の傾向であった。ただし，負荷を大きくかけた場合（今回は高速走行時）に軽油よりも高い濃度値を示し，最も高くなる燃料では約 14%高くなった。それ以外の運転条件では同程度の濃度である。一酸化炭素についても，5 つの燃料とも同様の傾向を示し，軽油とも同様の傾向であった。ただし，窒素酸価物とはむしろ逆で高速走行時を含むエンジンが高回転の運転条件で軽油よりも濃度が低くなった。炭化水素については，5 つの燃料とも同様の傾向を示すが，高速走行時に軽
油では濃度が下がるが，バイオディーゼル燃料では逆に上がるという，逆の傾向が見られた。なお，
どの運転条件でも軽油よりも濃度は低かった。ディーゼル黒煙については，5 つの燃料とも軽油よりも濃度が低くなるという同一の傾向であった。
次に PRTR 制度対象物質についてであるが，ホルムアルデヒドについては，5 つの燃料とも同様の傾向を示した。軽油との比較では運転条件により濃度が高い場合と低い場合があり，全体としてどちらかが高いかは判断しづらい程度の差であった。また，5 つの燃料ではメタノールの濃度に差があるが，その差によるホルムアルデヒドの増加
量は僅かであった。その他の成分については，検出濃度限界以下であったため，今回は評価することができなかった。
また，温室効果ガスについては，二酸化炭素，
メタンとも 5 つの燃料で同様の傾向を示した。亜酸化窒素については検出濃度限界である 1ppm 以下であった。軽油との比較では二酸化炭素が同等
で，メタンでは軽油よりも 1ppm 弱高い濃度を示した。メタン，亜酸化窒素の地球温暖化係数はそれぞれ二酸化炭素の 21 倍，310 倍であるが，二酸化炭素濃度が%オーダーであるため，温室効果ガス
全体としては同等と判断される。
全体として，今回計測に使用した 5 つのバイオディーゼル燃料については，特に異なる排出ガス特性を示すものは無く，軽油と比較して際立って濃度の高い排出ガス成分も計測されなかった。今回の計測結果で全ての燃料について照明されたわけではないが，バイオディーゼル燃料の品質が今回使用した燃料程度のものであれば，同様の結果が得られるものと予想される。ただし，不整地運
搬車以外の建設機械，またコモンレールや EGR を装備したエンジンを搭載した建設機械での評価も必要であると思われる
４．おわりに今回はバイオディーゼル燃料に関する計測を行ったが，建設機械排出ガスに関する課題はまだ残っている。例えば，酸価触媒の使用による窒素酸
化物に占める二酸化窒素割合の増加や，尿素 SCRの使用によるアンモニアや亜酸化窒素の排出等が懸念されている。土木研究所においては，これらの実態把握を引き続き行い，大気環境の改善に貢献したいと考えている。
参考文献
1) 杉谷・藤野・西山：車載型排出ガス測定装置の有効性に- 110 -

ついて，建設機械，Vol.50 No.8，pp.14～18，2014

27．ドラグ・ショベルの斜面降下走行に関する基礎的検討(独)労働安全衛生総合研究所(独)労働安全衛生総合研究所

○堀
玉手

智仁
聡

モータ，減速機等を配置した。
１．はじめに建設機械等による死亡災害は年間約 80 人であり， 図-1 に製作した模型を示し，表-１に実機と模型
労働災害の約 1 割を占める。建設機械の中でも， の諸元の比較を示す。両者を比較すると，実機のドラグ・ショベルに代表される掘削用機械による 前方安定度が 42.2 度であるのに対して，模型の前
災害が最も多い。過去に発生した，同種機械によ 方安定度が 49.4 度であった。実機に比べ，模型のる労働災害の分析結果より，事故の型別で比較す 安定度がやや高くなっている。すなわち，実機にると「はさまれ，巻き込まれ」による災害が最も 比べ模型はより安定性が高い。一方，接地圧につ多く，次いで，「激突され」，「墜落，転落」の順と いては，遠心力下での接地圧はほぼ等しくなってなっている。
「墜落，転落」災害では，斜面から機 いる。
図-2 に模型の概要を示す。小型モータを 2 個搭
械とともに転落する災害が最も多く，機械の安定度（限界傾斜角）よりも緩い斜面を走行中に転落 載し，左右の履帯を独立して駆動させることが可する事例も見受けられた。このような，機械の転 能である。モータ軸にはピニオンギアが備わり，
倒メカニズムについては明らかになっていないの 減速機に備え付けたスパーギアと接続する。モーが現状である。そこで，本研究では，掘削用機械 タの回転数は，モータに備わる回転センサーの情の斜面走行時における転倒災害の防止を目的に， 報を制御して，走行速度および模型が直線的に走
ドラグ・ショベルの小型模型を作製して，遠心模 行するための制御を行っている。
制御ボックスには，前述のモータ回転数を制御
型実験を実施している。本稿では，斜面降下実験するための電子回路と，模型をワイヤレス操作すの結果について報告する。
るための命令信号を送受信する電子回路が備わる。
２．遠心実験用小型模型の製作
ドラグ・ショベルによる転倒・転落災害の調査 ３．実験の概要
結果 1)から，バケット容量 0.2m3 未満の小型の機械
本実験では労働安全衛生総合研究所が有する遠による災害が大部分を占めていることがわかった。 心模型実験装置 NIIS Mark-II Centrifuge（最大遠心
そこで，本研究では，小型の機種の模型を作製す 加速度 100G，有効半径 2.3m）を使用した。図-3
ることとした。
に遠心模型実験の概要を示す。模型の操作は無線
10G の遠心場で走行実験を行うことを想定し， 通信により操作する。模型を操作する送信機はコ
実機の約 1/10 スケールで製作した。なお，模型の重心位置が実機と等しくなるよう，バッテリーや
表-1

実機と模型による主要諸元の比較
実機

重視距離

ドラグ・ショベル模型

水平 x(m)

鉛直 y(m)

水平 x(m)

鉛直 y(m)

0.24

0.81

0.01

0.06

合計重量

46.16kN

平均接地圧40.4kPa

安定度

図-1

模型

38.56N(10G 場では 385.76N)
40.2kPa(10G 場)

前方

後方

前方

後方

42.2 度

57.3 度49.4 度

56.3 度※水平方向の重心位置は旋回中心を基準にして前方を（＋）で示している。

- 111 -

図-2

図-3

遠心模型実験装置の概要

ドラグ・ショベル模型の概要

行方向の違いによる影響を調べるため，=30 度において，後進により斜面を降下する実験も行った。
模型地盤の作製には，強度の異なる 2 種類の発泡ポリエチレン（Expanded Poly-Ethylene）を用いた。本研究では，強度の高い方を EPE-1(極限支持力 Pu=100kPa) と 定 義 し , 強 度 の 低 い 方 をEPE-2(Pu=33kPa)と定義した。EPE は均質な材料であるため，実験の再現性を確保する目的で使用した。
計測については，走行挙動を高速度カメラ（nac社製）とデジタルカメラ（Panasonic 社製）で撮影
し，動画を解析して模型の揺動を求めた。解析では，実験容器の壁面に設置した 2 つのターゲット
マーカを結ぶ測線 A-A’と，模型の車軸部分に設置した 2 つのマーカを結ぶ測線 B-B’とのなす角を求めた。なお，高速度カメラの撮影速度は 500
フレーム/秒（解像度 512×512）であり，デジタル
カメラは 60 フレーム/秒（解像度 1920×1080）である。

４．実験結果4.1 高速度カメラとデジタルカメラの比較
図-5 に高速度カメラとデジタルカメラで撮影した動画の解析結果の比較を示す。図中に示した実験条件は，EPE-1 における=25 度である。また，
図中のデータは実大スケールに換算した値で示し
図-4 斜面降下実験の概要ている。極性については機体が前方に傾斜する方
向を＋（プラス）とした。
高速度カメラとデジタルカメラの結果はほぼ一ントローラと分離した構造となっている。このコントローラと送信機はスリップリングを介して接 致しており，デジタルカメラによる収録（60fps）
でも解析可能であることが確認された。このこと続されている。
図-4 に実験の概要を示す。斜面降下実験では， から，本研究では解析精度向上を見込めるデジタ
斜面の天端より模型を走行させて斜面を降下させ ルカメラのデータを解析することとした。
た。斜面の傾斜は 4 種類（=15，20，25，30 度） 4.2 実験結果の一例
図-6 に機体傾斜角 および角速度 の時刻歴をとし，高さは 200mm（実大換算 2m）である。走行速度 V は 0.03m/s（実大換算 0.108km/h）および 示す。天端走行中（te=0〜38sec）は機体傾斜角 
0.09m/s（実大換算 0.324km/h）とした。さらに，進 の変動はほぼゼロである。模型が法肩を通過して- 112 -

図-5

解析結果の比較(a)EPE-1

図-6

実験結果の一例(b)EPE-2

斜面上を走行した際（te=39sec）には， および
は大きく変動している。その後，斜面上の走行（te=50sec）では，はほぼゼロとなり，も変動が少ない。
4.3 機体傾斜角と角速度の関係
図-7 に各実験条件での機体傾斜角 と角速度 の関係を示す。図中の破線は V=0.03m/s の結果であり，実線は V=0.09m/s の結果をそれぞれ示している。
斜面傾斜=30 度では，前進により斜面を降下した場合，地盤条件の違いにかかわらずは模型の前
方安定度（49.4 度）を上回り，模型は転倒した。
このことから，機械の安定度より緩い斜面においても転倒することが確認された。一方，後進により斜面を降下した場合，転倒することなく斜面を降下することが可能であった。前進で降下した場合の結果と比較すると，後進によるおよびともに前進のそれに比べ小さくなっている。前後方向で安定度は異なるものの，進行方向の違いにより安全性に大きな差があることが確認された。
速度の違いによる比較をすると，すべての条件
において，実線で示した V=0.09m/s の角速度の最図-7

機体傾斜角と角速度の関係

図-8

斜面降下時の重心位置の移動

大値max が大きくなっている。すなわち，斜面を降下する際，速度が速いと機械がより不安定化することを意味している。
また，max は，斜面傾斜の増加に伴って大きくなっている。ドラグ・ショベルのような履帯式の走行装置を有する機械が斜面を降下する場合，重心が法肩を通過した直後に機体が傾き始め，自由落下を伴うような急激な機体傾斜が発生する。そのため，の増加に伴って，が大きくなったと考えられる。

- 113 -

表-1

斜面傾斜とh および角速度cal の関係

斜面傾斜h (cm)

角速度cal(度/s)

15

2.04

60.47

20

3.62

80.45

25

5.62

100.2730

8.04

119.90

図-8 に斜面降下時の重心位置の移動を示す。斜面降下時の重心の高さ方向の移動量h は次式によって求めることができる。

h  h  h cos(1)
ここで，h は履帯底面から重心位置までの距離である。
傾斜により，位置エネルギーh が角速度の運動エネルギーに保存されるためその関係式は次式のとおり表される 2)。

1
M  g  h   M  h 2   2
2(2)

ここで，M は模型の質量，g は重力加速度，hは回転半径である。
式(2)から，角速度cal は次式によって求めることができる。

 cal  2  g 

h
h2

(3)

表-1 に，斜面傾斜角とh およびcal を示す。
本研究では，実験で計測した最大角速度max とhから算出した角加速度cal の比を角速度比 Rと定義した。Rは次式で表される。

R 

 max
 cal

(4)

図-9 に斜面傾斜と角速度比 Rの関係を示す。
強度の低い EPE-2 については，=15〜25 で Rは 1
以下となっており，max はcal より小さくなっている。これは，地盤の支持力（pu=33kPa）に比べて模型の接地圧（p=40.2kPa）が高く，法肩部に模型が位置した際に，履帯直下に沈下が生じる。それにより実際のh は小さくなるため，max がcalより小さくなったと考えられる。一方，強度の強い EPE-1 の Rは 1 に近い値であり，max とcal はよく対応している。
=25 度における V=0.09m/s の Rは約 1.7 と大き図-9

斜面傾斜と角速度比 Rの関係

い値を示している。図-7(a)に示した結果から，当該条件では部分的にα＜θとなっており，かつ，
ωの一部がマイナスとなっている。これは，履帯
後部が浮き上がった後に復原力で元の状態に戻ったことを意味しており，転倒の危険性が高かったことを意味している。このことから，Rが大きくなったと考えられる。なお，転倒した=30 度では，すべての結果において，Rは 1 より大きな値とな
っていた。
５．まとめ
ドラグ・ショベルの小型模型を作製し，遠心場
において斜面を降下する実験を行った。実験により得られた知見は以下のとおりである。
1) 機械の安定度よりも緩い斜面で，機械が転倒することが確認された。
2) 斜面降下時には，なるべく速度を低下させる必要がある。
3) 斜面を降下する場合，前進により斜面を降下するよりも，後進により斜面を降下する方が安全であることが確認された。
謝辞
本研究を実施するにあたり，日立建機株式会社
生田正治氏にご協力をいただいた。ここに記して感謝の意を表します。
参考文献
1) 吉川直孝・伊藤和也・堀智仁・清水尚憲・梅崎重夫・濱島京子：ドラグ・ショベルに係る死亡災害の調査分析，
安全工学シンポジウム2013年講演予稿集，pp.396～399,
2013.

2) 前田豊・井上威恭：動的転倒に対する検討，安全工学，- 114 -

Vol.12，No.3，pp.198～202, 1973.

28．大型建設機械等の設置における簡易な現場地耐力試験の提案(独)労働安全衛生総合研究所 ○玉 手
聡
同
上
堀 智 仁
(株)竹中工務店東京本店
錦古里洋介

１

はじめに
移動式クレーンを含めた大型の建設機械の転倒防止には支持地盤の安定確保が不可欠である．しかしながら，作業現場の地耐力は目視や踏査によって経験的に判断される場合も多く，その判断を誤ったことによる写真-1 のような転倒事故がたびたび発生している 1)．本研究ではこのような転倒災
害の防止を目的に，作業現場において簡易に実施
可能な地耐力試験の方法を検討した．その方法を
ここでは現場地耐力試験 2)と呼び，以下では，BCTと略して言う．BCT はドラグ・ショベルなどの建設機械の自重を反力に，載荷板を介して荷重を静的に載荷する試験であり，試験時間が 10 分から 20分程度の短時間で終了することを特徴とする．本
研究では，BCT の適用性を調査することを目的に，地盤条件が異なる 5 カ所の現場で試験を行った．
この試験では平板載荷試験の結果との比較を行うとともに，BCT の載荷速度の違いが結果に与える影響も調査した．本論文では，一連の試験から得られた結果を示し，その結果に基づいて BCT による簡易な地耐力確認の実施を提案する．

写真-1

移動式クレーンの転倒事故

く，効率性が高い．しかしながら，載荷板が小さい
ために評価範囲は PLT よりも狭く限定されるという問題があった．そのため CBR は通常，道路施工
における路床と路盤の品質管理に用いられている．
今回の地耐力確認では PLT に準じた性能を目標としたことから BCT では，載荷板の形状と大きさを PLT と同じ直径 300mm のものとした．ただし，試験時間を短縮するために，載荷方法は CBR の変位制御を参考とし，BCT では変位速度の標準値を5mm/分に設定した．この値は CBR の 1mm/分に対２ 現場地耐力試験の概要
して，BCT と CBR の載荷板の直径比が 6 倍である
2.1 試験方法の検討ことなどを考慮したものである．これによって，
2)
表-1 は平板載荷試験 (以下，PLT と言う)と現場
BCT の試験時間は 10 分から 20 分程度となり，PLT
CBR 試験 2)と BCT の比較を示す．PLT は JIS と地に比べて大幅な時間短縮が可能となった．以上の盤工学会で基準化されている試験法であり，地盤
ように，BCT は PLT と CBR を応用した方法であの支持特性を直接的に調査するものである．PLT
り，地耐力評価の基本的な部分については PLT には，直径 300mm の載荷板から作用する載荷圧力 q
準じている．
と変位量 S の関係から地盤の支持特性や変形特性
2.2 試験装置と試験方法を求分割して行う載荷試験である．しかしながら，
図-1 は試作した BCT 装置を示す．詳細は既報 3)
各段階では荷重を 30 分保持する必要があるため，に譲り，ここではその概要を述べる．本装置には載実施には少なくても 2.5 から 4 時間を要することと荷と計測の両機能が車輪付きの架台にユニット化
なる．そのため，建設機械等を設置する度毎にこして搭載されており，手押しで現場内を自在に移れを実施することは，現実的には困難という問題
動できるようになっている．載荷ジャッキは電動があった．
モータで動作する仕組みである．ジャッキはシリ
現場 CBR 試験 (以下，CBR と呼ぶ)では，直径ンダーA とシリンダーC がそれぞれ上下に伸張す
50mm の載荷板を 1mm/分の一定速度で貫入させ，る構造であり，上昇した反力板はドラグ・ショベル
貫入量が 2.5mm と 5.0mm の時の載荷圧力を記録などの建設機械の下部走行体に接合する．これにする．したがって，試験に要する時間は 5 分と短よって，載荷板にはその自重を反力とした荷重が- 115 -

表-1

載荷板
載荷方法
反力装置
沈下量
所要時間
(1 箇所)

平板載荷試験と現場 CBR 試験と現場地耐力試験の比較
現場 CBR 試験(CBR)
現場地耐力試験(BCT)
平板載荷試験(PLT)
JIS 1222:2013＜今回提案＞JGS 1521-2012
直径 300mm の円形
直径 50mm の円形
直径 300mm の円形
荷重制御
変位制御
変位制御
(計画最大荷重を 5 から 8 段階で載荷) (1mm/min)(5mm/min)
実荷重又はアンカー
実荷重(ダンプトラックなど)
実荷重(建設機械)
架台に対する貫入ピストンの 載 荷 ジ ャ ッ キ の 伸 張 量 か ら 建 設
基準ばりから載荷板上の 4 点の沈下を
変位を 2 点で計測
機械の浮き上がり量を補正して計測
計算
2.5 時間～4 時間5分作用する．この荷重を載荷板の面積で除した値が載荷圧力 q である．
BCT 装置は，図-2 に示すように建設機械の後部（カウントーウエイト側）から手押しで挿入して設置できるようになっており，PLT で行われる建設機械下部における装置の組み立て作業は不要である．ジャッキのストローク量 sc は変位計で直接測定するが，載荷板の沈下量 S については図 3 に示すように，反力として用いるドラグ・ショベルの浮き上がり slt を差し引く補正が必要である 3)．

10 から 20 分

側面

前面

載荷板

反力板
シリンダーＡの伸長

地耐力試験時に浮き上がる

シリンダーＣの伸長

載荷板

３ 現場試験
3.1 試験の概要と地盤条件
図-1 現場支持力試験(BCT)装置の概要
現場試験を行った BCT と PLT の実施条件とデータ名称の一覧を表-2 に示す．各試験は 5 つの現場(GB1 から GB5)で実施したが，この中の GB1 とGB2 では，表面での載荷と約 0.5m 掘削した底面での載荷の両方を実施した．また，PLT については，
GB1 を除く全ての現場で実施し，BCT の結果と比較した．さらに，GB1 から GB3 の BCT では，ジャッキの変位速度 vc を標準値の 5mm/分に加えて
1mm/分でも実施した．これは，BCT の結果に与える vc の影響を PLT も含めて比較するためであった．
地盤の N 値と土質分布を図-3 に示す．GB1 と GB2
図-2 機体の浮き上がり補正の方法
は同一運動グラウンド内の約 100m 離れた場所であり，両地盤の N 値と土質は類似している．GB1と GB2 は元の地山の上部に砂が約 0.3m 厚で盛土 までがコンクリート屑やガレキ混じりの砂質土でされており，その表面には芝が植えられていた．こ あり，その N 値は 3 から 11 であった．その下部にの砂層下の地山は，礫混じりの粘土と砂であった． は N 値が 5 程度の粘土層が 5m 分布し，地下水位
地下水位については，深さ 9.6m の低い位置に存在 は地表から 4.7m の深さに存在した．この現場ではしたが，試験への影響は無視できるものであった． その後，表層 0.5m から 1m までの部分がセメント
次に，GB3 は軟弱なシルト質の地盤であり，地下 安定処理(N 値不明)されており，後述する BCT と水位も深さ 1.3m と浅い．さらに載荷面は-0.5m の PLT はこの処理後に実施したものである．GB5 は，掘削した面であったことから，水位までの距離は 表面から深さ約 4m までの部分がコンクリートガ
0.8m に接近していた．一般的にシルトの透水係数 ラやがれき，ならびに砕石が砂と混合した埋め戻は 10-3 から 10-7cm/秒程度 4)と言われ，その透水性 し土であった．この土はよく締め固まった強固なは低い．したがって，GB3 では水の影響を調査す 地盤であり，N 値は 10 から 20 であった．その下る条件の試験であった．GB4 と GB5 については図 部層は N 値が 2 程度の軟弱なシルトが厚く堆積しており，地下水位は地表から 1.3m の深さにあった．
に示さないが，GB4 は地表面から深さ約 4m- 116 -

表-2

現場地耐力試験(BCT)と平板載荷試験(PLT)の実施条件とデータ名称
GB1
GB2
GB3
GB4
表面
-0.5m 面表面-0.5m 面-0.5m 面
表面
芝
玉石混じり
芝
玉石混じり 軟弱シルト ｾﾒﾝﾄ安定処理
BCT1_aBCT1_cBCT2_aBCT2_cBCT3_aBCT4
BCT1_bBCT1_dBCT2_bBCT2_dBCT3_b
PLT2_aPLT2_b
PLT3
PLT4

GB-2

GB-1

0

芝、砂

GB-3

芝、砂
礫混じり粘土

礫混じり粘土0

盛土

粘土質シルト

有機質シルト

地盤深さ(m)

砂混じり粘土細砂

シルト質細砂

-5

-5

粘土質砂
砂質シルト

砂礫
砂礫

GB5
表面
表層埋戻し
BCT5
PLT5

GB2(-0.5m)

1500

シルト質細砂載荷圧力 q (kN/m2)

現場名
載荷面
面の状態
BCT 5mm/分
1mm/分
PLT(段階載荷)

BCT2_c
PLT2_b

PLT2_a1000

GB2(表面)BCT2_dBCT2_aBCT2_b

500

PLT3
GB3

シルト

0
砂質シルト

0

20
N値

図-3

0

20
N値

40

0

20

10

20

a)

30

40

50

載荷圧力 q (kN/m2)

BCT1_bBCT1_a0
伸張速度
vc (mm/分)

50

60

GB2 と GB3 の結果
GB4

1000

GB5

BCT4

PLT4

BCT5

PLT5
1500

1000

500

BCT1_a0

BCT1_b3040
沈下量 S (mm)

2500

2000

8

20

60

GB1の表面でのBCT

4

10

40

1500

500

0

N

試験地盤の N 値と土質(GB1 から GB3)0

載荷圧力 q (kN/m2)

40

BCT3_bBCT3_a

-10

-10

目標速度

0

10

20

30

沈下量 S (mm)

浮き上がり量slt (mm)

0

b)

6

図-5

4
BCT1_b2

経過時間 (秒)3200
BCT1_b

1600

BCT1_a

800
0
0

図-4

10

現場地耐力試験と平板載荷試験の q-S 関係の比較

BCT1_a0
2400

GB4 と GB5 の結果

20
30
40
ジャッキの伸張量 sc (mm)5060BCT1_a と BCT1_b でのジャッキの伸張量に対する各反応の比較

3.2 現場地耐力試験における載荷の状況
図-4 は GB_1 における BCT1_a と BCT1_b について，ジャッキの伸張に対する各反応を示す．sc の増加に対する q の増加では曲線がほぼ一致している．経過時間と sc の関係を見るとほぼ直線となっており，異なる速度で一定した伸張が行われたことがわかる．BCT1_a と BCT1_b の両試験では vc の目標速度をそれぞれ 5mm/分と 1mm/分に設定したが，実測値は目標値とほぼ一致している．sc の増加に伴って slt も増加しているがその最大値は 1mm程度と小さい．これは，今回用いたドラグ・ショベ
ルの重量が大きかったために，機体の浮き上がりは少なくなったためと思われる．
3.3 現場地耐力試験と平板載荷試験の結果比較
図-5 は BCT と PLT から得られた載荷圧力 q と沈下量 S の関係を示す．BCT については先に述べたとおりジャッキの伸張速度 vc が 5mm/分と 1mm/分で異なる場合の結果も示している．図-5a)に示した曲線は地盤種類の違いに応じて 3 つのグルー
プに曲線群は分かれている．したがって，支持力が異なる地盤で得られた BCT と PLT の結果は，各グ
ループ内でほぼ一致しており，試験方法は異なっ- 117 -

平板載荷試験によるKvsの実測値

200

単位：MN/m3

150

100

50
平板載荷試験 PLT
BCTの1mm/分

0

0

50

100

150

現場地耐力試験(vc=5mm/分)によるKvsの実測値a) 極限支持力 qd の比較
1500

200

図-6 は BCT と PLT による地盤反力係数 Kvs と極限支持力 qd の比較を示す．この Kvs と qd の値は地盤工学会基準に示された方法にしたがって求めた．
図-6a)の Kvs を見ると BCT(vc=5mm/分)と PLT の値
は 45 度の直線付近に分布しており，両試験の結果
はほぼ 1:1 の関係にある．また，BCT の vc が 1mm/分の結果についても同様であり，値は 45 度の直線付近に分布している．また，図-6b)の qd についても同様な結果が現れており，載荷速度を CBR と同レベルに早めて行った BCT の結果は PLT のそれとほぼ一致することがわかった．以上より，BCT の試験時間は，vc=5mm/分の場合では 10 分から 20 分
であり，これは PLT の 2.5 時間～4 時間に比べて2/15 以下の短時間である．したがって，BCT は大型建設機械等の設置に際して実施可能な，地耐力確認の方法であると考えられる．

単位：kN/m2

平板載荷試験によるqdの実測値

まとめ
本研究では，平板載荷試験(以下，PLT と言う)をスピードアップして行う現場地耐力試験(以下，900
BCT と言う)を考案し，さらにその準備と計測を簡単なものとする装置についても検討した．この方
600法と装置の適用性を確認するために現場試験を行ったところ，まず，コンクリート屑やガレキ混じり
300の表層を締固めた地盤とこれをセメント安定処理
平板載荷試験 PLT
BCTの1mm/分した地盤では，BCT と PLT の結果がほぼ一致した．
0
0
300
600
900
1200
1500
次に，最も不利と思われた地下水位が載荷面近く
現場地耐力試験(vc=5mm/分)によるに存在したシルト地盤でも BCT と PLT の結果はqdの実測値
一致し，さらに，地盤の一様性が高い運動グラウンb) 地盤反力係数 Kvs の比較
ドでも同様の結果が得られた．以上より，作業現場
図-6 BCT と PLT による Kvs と qd の比較の地耐力を BCT によって確認することは安全上有効なことがわかり，本論文ではその利用を提案しても同じ結果が得られたことがわかる．特に，GB3 た．地耐力を確認することによって，アウトリガー
では載荷面の約 0.8m 下に水位が存在する条件であ 等の沈下による転倒の危険は減少するはずである．
ったが，比較した vc の範囲で 3 つの曲線はほぼ重 なお，現場地盤には様々な条件が存在するため，今なっている．先にも述べたとおり，飽和したシルト 後も引き続き BCT の現場試験を継続し，データの地盤では vc の差によって土の排水条件にも違いを 蓄積を図りたいと考えている．また，特に大型機械
生じ，q-S 曲線は異なって現れることを当初予想し の設置では基礎サイズも大きくなることから，深たが，実際の結果はほぼ同じであった．したがって， い部分の確認も不可欠である．工事前に行った地
シルトのように透水係数が低い軟弱な地盤におい 盤調査のデータ(深い部分)も参考にしつつ，設置条ても vc=5mm/分の条件では，土の排水条件に顕著 件に応じた確認を行うことが必要かと思われる．
な差は生じず，PLT と同様な結果が得られることがわかった．図-5b)は表層をセメント安定処理し 参考文献
た GB4 と，コンクリート屑とともに表土を埋め戻 1) 玉手聡，堀智仁：大型建設機械の不安定性と転倒防止のした GB5 の結果を示す．先の図-5a)に比べて支持 ための安全要件，労働安全衛生総合研究所安全資料，
力が高い地盤での比較であるが，BCT と PLT の結 JNIOSH-SD-NO.28(2010)，pp.5-18，2011．2) (公社)地盤
工学会：地盤調査の方法と解説，第 8 編載荷試験第 3 章平
果は同様に一致している．以上のように，BCT と 板載荷試験，pp.697-731，2013．3)玉手聡，堀智仁：地盤
PLT では試験時間に大きな差があって，載荷速度 の支持力調査における簡易試験法の適用に関する実験的考も大きく異なる条件であったが，得られた q-S 関 察，日本建設機械化協会, 平成 23 年度建設施工と建設機械係は調査した条件の範囲でほぼ一致することが明 シンポジウム論文集・梗概集，pp.137-140，2011. 4) 石
原研而：土質力学，丸善，pp.635-106，1995．
らかとなった．
1200

４- 118 -

29．インバートストラット施工における無人化機械の開発
清水建設㈱土木技術本部機械技術部 ○藤内 隆
清水建設㈱土木技術本部機械技術部 鈴木 正憲
エフティーエス㈱技術部
徳川 順一

１．はじめにトンネル掘削における内空変位変状対策において早期閉合は有効な対策となるため、切羽を掘削した後、速やかにインバートを掘削して吹付閉合を行うことで変状対策を行う。
変状が大きく、早期に変状がおきる場合は、インバート用の支保工（インバートストラット）の設置を行い、さらに支保剛性を高めることが必要となる。
このインバートストラットの設置作業は、切羽面から深部を掘削するため、崩壊の恐れがあり危険な作業となっている。
本開発では、このインバートストラットの設置
を人が立ち入ることなく施工できる機械を開発した。
本稿では、機械の開発経緯及び開発技術の特徴、実証実験について報告する。

この作業では、揚重した支保工を下半支保工と接合する際に、人力で接合面を調整するため非常に労力のいる作業となっている。
また、揚重機の揚重能力の関係から作業半径を小さくする必要がある。
その結果、深く掘削したインバート部近傍の地盤の不安定な場所に揚重機を設置しなければならず、地山の崩壊や揚重機の転倒の恐れがあり危険な作業となっている。
インバートストラットと下半支保工を接合した
後、分割したインバートストラットをほぼ中央で接合する。(写真-2)

２．開発技術の概要(1) 開発の背景
インバートの設置作業では、２分割したインバートストラットをバックホウで揚重し、下半支保工と接合する。(写真-1)

写真-2 インバートストラット接合状況

写真-1

インバートストラットと下半支保工接合作業状況

この設置作業では、深く掘削したインバート部に人が立入り接合作業を行うため、切羽崩壊の恐れのある危険な作業となっている。
(2) 技術の概要
本技術開発では、地上で２分割したインバート
ストラットを地上で組立し、一括化するシステムとした。
そしてエレクターのブームで一括化したインバートストラットを把持しインバート底部にセットする。その後、下半の支保工と接合する施工するシステムを開発した。(図-1)- 119 -

上半支保工建込み用のブームでインバートスト
ラットの設置をするとブームが斜めに伸縮するため、ブームと地盤が干渉して建込みができない。
(図-3)

地盤とブームが干渉
図-1 インバートストラット組立施工イメージ
図-3 上半用ブームを使用した建込図

この施工システムでは、地上でインバートスト
ラットの一括化とインバート部に人が立ち入ることなくセットすることから、安全な作業が可能となる。
また、揚重機を使用せず、作業能力に余裕のある専用のエレクターでインバートストラットを把持して作業を行うため、安全かつ省力化を図ることができる。

(ブームと地盤の干渉により建込みできない)

そこで、中ブームには垂直に伸縮する機構をもたせることにより、深さ 2～4ｍあるインバート底部に地盤と干渉することなくブームが届くようにした。(図-4)

３.開発技術の特徴
本開発のエレクターは、上半支保工建込用の左右の 2 ブームとインバートストラット建込み専用の中ブームを装備した 3 ブーム構成となっている。
(図-2)
垂直伸縮により地盤との干渉がない

図-4 中ブーム垂直伸縮による建込図
ストラット建込み用中ブーム

図-2 3 ブームインバートストラット建込兼用
エレクター

また、垂直に伸縮することで地盤の悪いインバート掘削箇所より離れた場所にエレクターの設置を可能とした。
さらに真ん中の中ブームに把持装置を取付けて、インバートストラットの把持を容易にできるシステムとした。その把持装置は２本のツメを装備しており長く湾曲したインバートストラットの把持を確実にできる構造とした。
そして、把持装置には、インバートストラット
を自由に動かせるように、左右 37 度、上下 37 度、
前後 37 度の回転をできる構造とした。(図-5)- 120 -

回転できない

図-6 上半用キャチング作動範囲

図-5 真ん中ブーム詳細図

そこで、左右のブームにストラット把持用キャッチングを取付け、下向き回転をできる機構とし、インバートストラットの接合ができるようにした。
(図-7)

表-1 に中ブームの仕様を示す。
表-1 中ブーム仕様

４.開発技術の課題および対策
分割したインバートストラットを地上で組立てするには、左右のブームで分割インバートストラ
ットを各々掴み、ほぼ中央の部分でボルト連結を行う必要がある。
そのためには、インバートストラットを回転させ中央の接合面を合わせることが必要となる。
しかし、左右の上半支保工建込用ブームについているキャッチングは、下方向に回転できないた
め、インバートストラットの接合ができない。
そのため、分割ストラットの地上接合方法が課題となった。(図-6)ストラット用キャチング

図-7

ストラット把持用キャッチング
による接合

５．実証実験
(1)インバートストラット地上組立実験
インバートストラット組立用キャッチング装置を取り付けた左右のブームにより、分割したイン
バートストラットの接合実験を行った。
インバートストラットを左右のブームで各々把持させ、ブームスライドおよびキャッチングの回転、スイング機構を使用して接合を行い、地上で接合できることを確認した。(写真-3)- 121 -

写真-4 アーム伸縮実験

写真-3 インバートストラット地接合実験(2)アーム伸縮動作実験
地上で組み立てたインバートストラットを把持した状態でブームを最大に伸ばし、アームを垂直に 1.2m 降下させて、アームの動作、機体の安定性に問題ないことを確認した。(写真-4)

６．おわりに
実証実験によりインバートストラットの組立てが問題なく行えることが実証された。
今後は現場導入を行い、実際のトンネルの内空断面内で組立できるか、また下半支保工とインバートストラットの接合が問題なく行えるかを確認する予定である。
この機械の使用により、人が立ち入らないこと
よる安全性の向上、専用の把持装置を装備したエレクターによる省力化や省人化、サイクルタイムの短縮が期待できる。
これらのデータを現場導入した際に記録および分析を行い、更なる安全性の向上や作業性の向上に努めていく所存である。

- 122 -

30．タワークレーン用制震装置の開発

１．はじめにタワークレーンは，超高層建物の建設に欠かすことのできない工事用機械である。しかし，
1995 年に発生した兵庫県南部地震において複数のタワークレーンが倒壊し，建物の施工中におけるタワークレーンの耐震性確保に関する問題
点が高梨らによって指摘されている 1)。さらに，
タワークレーンは比較的周期が長く柔らかい構造であるために揺れやすく，特に大地震時には建物と共振して大きな揺れが生じ，クレーン自体に損傷が生じる可能性があることが指摘されている 1)。
このような状況のもと，東南海・南海地震が近々発生し得ることが予見されている。しかし，大地震を想定したタワークレーン用の免震・制震装置は，十分には実用化されていない。よって，大地震時にタワークレーンが倒壊して作業所のみならず近隣等第三者にも被害を与えないようにするためのタワークレーン用免震・制震装置の実現が望まれる。
そこで，建物の固有周期とタワークレーンの固有周期が合致するような場合であっても，地震によるタワークレーンの揺れを低減して過度な損傷を防止する，マストクライミング方式のタワークレーンに有効な，油圧ダンパを利用した汎用性の高い，タワークレーン用制震装置を新たに開発した。そして、開発した装置を，建設中の作業所に設置されたタワークレーンに試適用し，実際に制震効果が得られることを確認したので、以下の報告する。
２．タワークレーンの強度
タワークレーンは，法令上定められている強度を有している。しかし，1995 年の兵庫県南部
地震では，実際に複数のタワークレーンが倒壊した（写真-1）。
タワークレーンの設計は，「クレーン構造規格」（労働省告示）に基づいて行われている。同
規格では，「垂直静荷重の 20％に相当する」水平㈱竹中工務店

大阪本店

作業所㈱竹中工務店

技術研究所

○竹内誠一
菅田昌宏

写真-1 倒壊したタワークレーン

荷重（静荷重），つまり，震度 5 強程度の地震が発生した際に生じる水平荷重に耐え得る強度をクレーンに求めている。対してクレーンメーカ
は，合理的且つ経済的に設計を行っているので，
タワークレーン本体は，地震に対し過剰な余力を有していない。よって，同規格では想定していない震度 5 強より大きな地震の発生時には，
タワークレーンが損壊して倒壊する可能性がある。また，建物上部に設置されたタワークレー
ンや，建物とステー（壁つなぎ）によって連結されたタワークレーンは，建物の固有周期とタワークレーンの固有周期が合致して共振を起こ
し，地震の大きさに限らず大きな揺れが生じ，
タワークレーン自体に損傷が生じる可能性がある。
３．制震装置（ダンパステー）を組み込んだ制震システムの概要
本装置を組み込んだ制震システムの構成と，制震効果が得られる仕組みを示したものが図-1である。
本システムの特徴は，制震装置（ダンパステー）を固定式ステー（マストクライミング方式
で通常使用される固定式のステー）とマスト脚部間（図-1 の左図），もしくは固定式ステー間（図- 123 -

-1 の右図）に配置し，同部位に生じるマストの変形を利用してエネルギ吸収を行う点にある。
固定式ステー部において，タワークレーンのマストと躯体とがピン接合されており，ダンパス
テー部では図-2 に示すような油圧ダンパが配置されたダンパステーによって，マストと躯体（柱）とがピン接合されている。固定式ステー
による適度な拘束により，ダンパステー部分に生じる変位量が適切に抑制されるため，ダンパに極端に大きなストロークを必要としないことが特徴である。

ある。その主な仕様は，最大減衰力 500ｋＮ（30カイン），ストローク±100mm である。
固定式ステーとダンパステーの全景を，写真-2 及び写真-3 に示す。ダンパステーは，固定式ステーの軸部の一部を油圧ダンパに置き換えた仕様とし，固定式ステーと完全に互換できるものとしている。そのため，ダンパステーを設置するために特別な取り合いを考える必要はなく，
ダンパステーの汎用性は非常に高く，如何なるタイプのマストクライミング型タワークレーンにも適用可能である。

中間ステー
オイルダンパ

取付長 1,260

2 重鋼管部
（伸縮可）

ステー端部

図-3 ダンパ周り詳細

固定式ステー

ダンパステー

図-1 制震システム概要

マスト

梁

写真-2 固定式ステー

ステー枠
中間ステー
オイルダンパ柱

ﾋﾟﾝ接合部

ステー端部

図-2 ダンパステー概要（平面）４．制震装置（ダンパステー）の概要
制震装置（ダンパステー）のダンパ周りの詳
細を，図-3 に示す。ダンパステーは，固定式ス
テーの中間ステー（鋼管部）端部にオイルダン
パを設置したものである。使用したオイルダン
パは，カヤバシステムマシナリー製の汎用品で- 124 -

写真-3 ダンパステー

５．検討対象の建物の概要
本装置を試適用した建物は，大阪市に位置す
る最高高さ 300ｍ，地上 60 階建ての超高層ビルである（写真-4）。

ダンパステー
固定式ステー

５８F

５５Ｆ
５３Ｆ
５０Ｆ
４７Ｆ

３８Ｆ
１回目

２回目

３回目

４回目

５回目

クライミング回数
図-4 クライミング計画図
写真-4 検討対象の建物

６．検討対象のタワークレーンの概要
検討の対象となるダンパステーを試適用した
タワークレーン（写真-4 矢印部）は，38 階にその基礎を持ち，マストクライミング方式によって 38 階よりも上層階の躯体施工を行うために設置されたものである。また，38 階よりも上の階
では建物内部に吹き抜け空間があり，当該タワークレーンはこの吹き抜け部に配置されている。
さらに，施工の進捗度に応じて図-4 に示すように，固定式ステーを必要としない自立時から 2箇所の固定式ステーを必要とする第 5 回目のクライミングまで，合計 6 つの状態を取るように計画がなされている。最大マスト高さは 105m である。本体頂部が躯体構築に伴って上昇し，マスト部分は，固定式ステーによって躯体と連結されている（写真-2）。タワークレーンのマストは高さが 3m ないしは 6m で，これらを高力ボル
トを用いたフランジ接合によって緊結している。
表-1 に，各クライミング時のマスト高さ，固定式ステー及びダンパステーの設置階，及びタ
ワークレーンをモデル化する際の質点数と重量を示す。ダンパステーは，2 回目から 5 回目までの各クライミングにつき 1 箇所配置した。表-2に，使用したマストの断面性能等の諸元をまとめて示す。なお，ステー位置ならびにマストの強度計算は，一般的な検討手法である「クレーン構造規格」に基づいて行い，その安全性を確認している。図-5 は検討対象のタワークレーン
およびステーと躯体との位置関係を示したもの
で，ステーは建物の主軸（X，Y 方向）に対して角度を有して柱とタワークレーンに緊結されている。

- 125 -

表-1 タワークレーンのモデル化

ｸﾗｲﾐﾝｸﾞ
回数

躯体

ﾏｽﾄ

完了

全

質

階数

高さ

点

ﾀﾜｰｸﾚｰﾝ

固定式ｽﾃｰ

ﾓﾃﾞﾙ

取付階
ﾀﾞﾝﾊﾟ
取付階

総重量

上段

下段

数

2 回目

53F

63m

2

1180kN

50F

無

47F

3 回目

56F

75m

2

1270kN

53F

無

47F

4 回目

59F

87m

3

1610kN

55F

47F

50F

5 回目

P1F

105m

3

1700kN

58F

47F

53F

表-2 マストの断面性能および適用位置
ﾏｽﾄﾀｲﾌﾟ

M2000H
M2000
M1600
M1300

A(mm2)

I(mm4)

Z(mm3)

Zp(mm3)

1.2

9.0

9.5

1.0

×105

×1010

×107

×108

1.0

7.3

7.7

8.4

×105

×1010

×107

×107

8.2

6.1

6.5

7.1

×104

×1010

×107

×107

6.5

5.0

5.3

5.8

×104

×1010

×107

×107

W(t)

L

7

3.0

9.7

6.0

７. 解析モデル
解析モデルの例を，図-6 に示す。これは，建物構造設計時の地震応答解析用に作成された建物の質点系モデルを基に，表-1 に示した各クライミング時の施工段階に対応した建物モデルとタワークレーンの質点系モデル（2 もしくは 3 質点）を組み合わせたものである。但し躯体の質
量は，施工時の状況を再現するため，設計で使用した値に対して 37 階以下については 70%（躯
体＋仕上・設備分を考慮）に，38 階以上で躯体が完成している部分については 65%（躯体分のみを考慮）に軽減した。

σy

旋回体
リジッド
ステー
390

8.9

6.0

8.5

6.0

47F

38F

ダンパー
ステー
リジッド
ステー

47F

38F

タワー
クレー
ンの質
点系解
析モデ
ル

タワークレ
ーン脚部の変位と 38F 床の変位が同一となるように剛
体結合とし
た。
タワークレ
建物の
質 点 系 ーン芯と建物
解 析 モ 芯とは偏心していなモデルデルとしている。
鉛直変位および鉛直軸回
りの回転は拘束している。

断面係数
W:重量,L:マスト高さ(m),σy:材料の規格降伏強度(N/mm2)
29,350東
西65,600ﾀﾜｰｸﾚｰﾝ

(吹抜け)

53F

49F

A:断面積, I:断面 2 次モーメント, Z:断面係数, Zp:全塑性

ｽﾃｰ

58F

X 方向

図-6 解析モデル例
Y 方向

19,900

図-5 タワークレーンの平面配置

タワークレーンマストは，1 本ずつモデル化し
表-2 に示す断面性能を有する曲げせん断棒によって連結している。マスト重量は，マストの頂部に集中していると仮定してモデル化した。な
お本検討では，タワークレーンは無負荷で，かつ作業半径 22.4ｍで静止した状態を対象としている。この状態でタワークレーン頭部（旋回体）の質量重心は，タワーマストの重心にほぼ一致- 126 -

するので旋回体質量のマストに対する偏心は考慮しおらず，ジブに関してもその質量のみを考慮している。また，タワークレーン頂部（旋回体）の重心位置は，マスト頂部位置よりも高い
位置（マスト頂部＋6.26m）にあるため，マスト頂部と旋回体重心位置（質量質点）を剛体連結している。粘性減衰は建物およびタワークレー
ンの双方ともに 2%とした。
前述したように，固定式ステーは建物主軸に対して角度を有しているが，解析モデルでは各主軸方向に集約した軸剛性および耐力を用いることとした。表-3 に，解析で使用した固定式ス
テーの軸バネ定数および耐力をまとめて示す。
ここで，固定式ステーの耐力は軸部鋼管のオイ
ラー座屈によって定まる値である。
表-3 固定ステーの軸剛性および座屈耐力
X 方向

Y 方向

対象階

剛性
(kN/mm)

座屈耐力
(kN)

剛性
(kN/mm)

座屈耐力
(kN)

58

363

2896

532

3728

47-55

274

2579

465

2927

８．入力地震動解析に使用した入力地震動の一覧を，表-5 に示す。これらの地震動は，建物の構造設計時の地震応答解析に使用したもので，当該敷地の条件に合わせて作成されている。
表-5 入力地震動一覧
ﾚﾍﾞﾙ

L3

地震動名称

最大速度

最大加速度

(mm/s)(mm/s2)

東南海・南海 NS

268

1213

東南海・南海 EW

419

1067

南海 NS

210

863

南海 EW

275

987

L2

９．解析結果
表-6 は，解析結果から求めたタワークレーン
頂部における応答加速度の低減率を示したものである。低減率  は(1)式によって求めた値である。
  a0  a  a 0  100 %…………(1)
ここで， a0 はダンパ無しの場合の頂部応答加速表-4 油圧ダンパの特性（各階同じ）方向

粘性減衰定数（N･sec/mm）

最大減衰力
（kN）

内部剛性
（kN/mm）

X 方向

3.7

1109

307

Y 方向

5.3

1596

441

ダンパステーに使用した油圧ダンパは，ダッシュポットと内部剛性バネを直列に繋いだモデルとした。同ダンパは，最大減衰力 F=500kN が
速度 v=30 カインで発揮される線形タイプで，粘性減衰係数 Cd は 1.6kN･sec/mm，内部剛性は135kN/mm である（F=Cd･v）。ダンパも上述した
固定式ステーと同様，表-4 にまとめて示すように各主軸に集約した数値を解析に使用した。ダンパは，減衰要素と内部剛性バネを直列に接続したモデルとし，その両端を躯体柱とマストにピン固定している。
実施した地震応答解析はニューマーク
β(=0.25)法を用い，躯体およびタワークレーンともに部材降伏を考慮した非線形解析である。ここでマストは，正規バイリニア履歴とし，降伏後剛性は初期剛性の 1/200 とした。またステーは，
便宜的にマストと同様の履歴モデルとするが，ステーの降伏が生じた時点で，ステーの座屈に
よってタワークレーンが損壊するという判断を行うこととした。

度， a はダンパを効かせた場合の頂部応答加速度である。同表によると，ダンパの効果により，大きくは 62%の低減率を達成できた。
また表-7 に，表-5 に示した入力地震動における，ダンパ無しの場合とダンパを効かせた場合の解析結果から得られたタワークレーン各部の強度検討結果を示す。これより，ダンパステー
無しの場合に強度不足となった部位が，ダンパ
ステーを効かせれば応答加速度が低減され，作用応力が許容応力内におさまることが判明した。
表-6 応答加速度の低減率 （タワークレーン頂部）
レベル 方向- 127 -

Ｘ
Ｌ３
Ｙ
Ｘ
Ｌ２
Ｙ

地震動名称

２回目
東南海南海ＮＳ ５０％
東南海南海ＥＷ ６１％
東南海南海ＮＳ ５７％東南海南海ＥＷ ６２％
南海ＮＳ
５３％
南海ＥＷ
５４％
南海ＮＳ
４６％
南海ＥＷ
６１％

クライミング回数
３回目 ４回目
５６％ １０％
４７％ １１％
４８％ ２０％５％８％
４３％ １１％
３８％ ２３％
４１％ －３％
２４％ ９％

５回目
２３％
５８％
３５％
４２％
８％
５１％
２４％
２５％

表-7 解析結果（タワークレーン各部の強度検討結果）
地震動名称

タワークレーン各部強度判定
ダンパステー無し
ダンパステー有り
ステー
マスト
ステー
マスト

東南海・南海ＮＳ
東南海・南海ＥＷ
東南海・南海ＮＳ
Ｙ方向
東南海・南海ＥＷ
ＯＫ
ＯＫ
東南海・南海ＮＳ
Ｘ方向
１
東南海・南海ＥＷ
回
東南海・南海ＮＳ
Ｙ方向
目
東南海・南海ＥＷ
東南海・南海ＮＳク
Ｘ方向
２NG 座屈 NG 曲げ
東南海・南海ＥＷ
ラ
回
東南海・南海ＮＳ
イ
Ｙ方向
目
ＯＫ
ＯＫ
東南海・南海ＥＷ
ミ
全て
Ｌ３
東南海・南海ＮＳ ＮＧ 座屈
ン
ＯＫ
Ｘ方向
ＮＧ 曲げ
３
グ
東南海・南海ＥＷ
回
回
東南海・南海ＮＳ
Ｙ方向
目ＯＫ
数
東南海・南海ＥＷ
東南海・南海ＮＳ
ＮＧ 曲げ
Ｘ方向
ＯＫ
４
東南海・南海ＥＷ
回
東南海・南海ＮＳ
Ｙ方向
目
ＯＫ
東南海・南海ＥＷ
東南海・南海ＮＳＸ方向
５
東南海・南海ＥＷ ＮＧ 座屈 ＮＧ 曲げ
回
東南海・南海ＮＳ
ＯＫ
Ｙ方向
目
ＯＫ
東南海・南海ＥＷ
ＮＧ 曲げ
南海ＮＳ
Ｘ方向
各
南海ＥＷ
全て
全て
全て
クライミング Ｌ２
南海ＮＳ
ＯＫ
ＯＫ
ＯＫ
Ｙ方向
段階
南海ＥＷ
設
置
時

Ｘ方向

１１．まとめ
大地震を想定した画期的なマストクライミン
グ型タワークレーン用制震装置を開発し，建設中の作業所に設置されたタワークレーンに試適用し，解析及び実機による実験から制震効果が得られることを確認した。本装置は汎用性が非常に高いことが特徴である。また，今回開発した制震システムについては，特許を出願済みで
ある。
参考文献

全て
ＯＫ

1)

全て
ＯＫ

１０．実機における効果の検証
2 回目のクライミング時に，試験錘の揚重による加振実験を行った。結果，図-7 に示すように，
タワークレーン頂部の応答加速度は，ダンパス
テーの働きによってより早く定常状態になることがわかった。つまり，ダンパステーにより制震効果が得られることを確認した。
また，ダンパステーを効かせた場合のタワー
クレーン頂部付近にある運転室内における揺れの収まり具合は，タワークレーンオペレータが驚くほどであった。つまり今回開発した制震装
置は，地震時の揺れ（応答加速度）を低減するだけでなく，通常の運転操作時の揺れも低減するので，運転操作のやり易さを向上させ，オペ
レータのストレス低減にも貢献することが分かった。

ほぼ定常状態(ダンパー無し)
ほぼ定常状態(ダンパー有り)

図-7 ダンパ効果の実測（タワークレーン頂部の応答加速度）- 128 -

高梨成次，安達洋，中西三和：建築用タワークレー
ンの耐震性能に関する研究，日本建築学会技術報告集，13 巻 26 号，pp.415～420， 2007 年 12 月

31．RFID（非接触型自動認識技術）を利用したバッテリーロコのトリプルセーフティの導入及び総合運行管理～トンネル坑内の安全を目指して～

清水建設株式会社
新トモエ電機工業株式会社
協立電機株式会社○ 吉澤 尚志
瀬戸 啓助
平口 進也

1918

ッテリーロコの坑内運行速度を 10km/h とする。
１．はじめに③セグメント内径φ2,144mm とトンネル坑内が筆者らはバッテリーロコを用いたトンネル工事
狭隘なため特殊枕木を採用し、工事関係者がにおける安全性の向上を目指し、軌条設備におけ坑内を通常の姿勢で歩行できるようにする。
る事故の防止を目的として本システムを開発した。
坑内標準断面図を図-1 に、坑内写真を写真-1 に現在に至るまで、軌条設備による事故は絶えない。その理由として以下の 2 点が考えられる。
それぞれ示す。
①小口径トンネルでは安全通路と軌条設備を分2144
離出来ないことにより、バッテリーロコと人との接触を防ぐことが難しい。
②安全設備を搭載したバッテリーロコを使用していても、確実にその設備の機能を発揮させるためにはかなりの経験と知識が求められ、運転者のスキルが追い付かない状況である。
軌条設備における事故は大事故に繋がりやすい
性質があり、安全設備や安全システムをバッテリーロコに追加していけば事故の減少に寄与するものと筆者らは考えている。
２．現場概要当システムを開発したシールド現場の概要を表-1 に示す。
表-1
現場位置
発注者
用途

現場概要

400

図-1

坑内標準断面図

写真-1

トンネル坑内状況

福井県福井市高屋町地内
農林水産省

北陸農政局

九頭竜川下流農業水利事業所
農業用水路
発進立坑 1 箇所、到達立坑 2 箇所、φ2,580mm

工事内容

シ ー ル ド ト ン ネ ル × 2 本 （ L1=2,824.8m、L2=2,265.5m、セグメント外径φ2,452mm）

本工事には以下の特徴がある。
①1 つの発進立坑から 2 本のシールドトンネルを同時に築造する。
②河川横断時期による工程遅延の防止を図るた
めに、高速施工が要求される。このため、バ- 129 -

３．開発経緯
当工事では坑内に出入りしている工事関係者が坑内のどこに位置しているかを確認するために、トンネルに入出坑する人には必ず非接触記憶媒体（以降、RFID タグと呼ぶ）を携帯させ、入坑管理を行っている。
また、当工事では高速施工を行わなくてはならないため、セグメント搬送が施工サイクルに大きく影響を与えることからバッテリーロコの坑内走
行速度を 10km/h としたため、バッテリーロコの接触事故のリスクは大きい。
以上より、入坑管理で使用している RFID タグを利用してバッテリーロコとの接触事故を防止する
新たな安全システムの構築を考えた。
なお、筆者らは前項の③で記載したように狭け
れば狭くなるほど事故のリスクを抱える事になると考えており、当工事がシステム開発をするにあたって適切な現場であると考えた。
3.1 トリプルセーフティの概要
トリプルセーフティ（3 段階安全システム）は「RFID を利用した近接認識システム」、「赤外線センサを利用した近接認識システム」、「接触バンパーを利用した接触式非常停止システム」で構成されている。
そのうち「赤外線センサを利用した近接認識シ
ステム」及び「接触バンパーを利用した接触式非常停止システム」は既存の技術である。
今回は「RFID を利用した近接認識システム」を新たに開発し、これら 3 つのシステムを関連付けることによりトリプルセーフティとして安全シス
テムの高度化を図った。
RFID を利用した近接認識システムで 30m 以内に人を認識した際に坑内走行速度である 10km/h
から 3km/h まで自動で減速させる。
さらに接近し、15m 以内になった時は赤外線を利 用 し た 近接 認 識 シ ステ ム に より 3km/h か ら
1km/h に減速させる。
最後に人がバンパーに接触した時には非常停止
スイッチが作動し、バッテリーロコを非常停止させる。
このように仮にヒューマンエラーがあったとしても安全にバッテリーロコを動作させることにより事故を防止するシステムとしている。
本システムの特徴として以下が挙げられる。
①システムが動作した場合、自動的にスピードが減速することにより、軌条内に人や物があることを運転手本人に伝える事が出来る。
②運転手本人に意識の喪失等の何かあった場合でも自動的に停止までするため、暴走を回避
し停止する。
③入退坑システムと兼用する事ができ、費用面でも安価に抑えることが可能である。
3.2 各システムについての説明(1) RFID を利用した近接認識システム
RFID とは Radio Frequency Identification の略称でRFID タグと呼ばれる媒体に記憶された人や物の個別情報を、無線通信にて読み書き（データの呼び出し・登録・削除・更新など）を行う自動認識システムである。
RFID タグを読み取り機にかざす（アンテナの読
み取り範囲にタグを近接させる）ことにより情報（製造年月日・流通過程・検査情報等）が表示機
器に表され、さらに新しい情報を書き込む（リライトする）ことで、製品の流れや人の入退場、物や人の位置検知などが一元管理できるシステムである。
今回の開発では指向性アンテナを設置し、トン
ネル延長方向に約 30m の範囲内にある RFID タグを認識できるようにした。
(2) 赤外線センサによる近接認識システム
赤外線センサは赤外領域の光（赤外線）を受光
し、電気信号に変換して必要な情報を取り出して応用する技術である。
今回の開発ではバッテリーロコが運行している
軌条内に物体が存在した場合に、赤外線センサでその物体から発せられている赤外線を読み取り軌
条内に運行を阻害する物があると判断して減速するシステムとした。
(3) 接触式バンパー停止システム
接触式バンパー停止システムはバンパーが押されることによりリミットスイッチの通電が遮断され、バッテリーロコを緊急停止させるシステムである。
停止信号（接触時）発生から停止までの制動距離を計算すると 166mm を必要とすることからバンパーの稼働範囲を 200mm とし、万一バッテリーロコに接触したとしても人体に問題がないように改良した。
3.3 使用機器について本開発に使用した機器を表-2 に示す。
表-2
機器名

使用機器一覧表仕様

バッテリーロコ

2t サーボロコ

赤外線センサ

認識距離 20m

RFID 受信機
指向性アンテナ- 130 -

認識距離 50m

3.4 使用機器写真
使用機器写真を写真-2 から写真-6 に示す。

赤外線センサ

写真-5

写真-2

赤外線センサ

指向性アンテナ

接触式バンパー
写真-6

写真‐3

RFID タグ

接触式バンパー

3.5 システムの使用状況のイメージシステムの使用状況のイメージを図‐2 に示す。
RFID タグ

受信機にて障害物を検知

15m :赤外線検知位置
30m
図-2

写真‐4

RFID リーダー:RFID 検知位置

システム使用状況イメージ

４．実施前の検証現場へ導入する前にどのような周波数帯でどのようなアンテナを採用すべきか現場導入前に試験を行った。
試験では各周波数帯での認識距離の確認とアン
テナを変える事による認識距離の違い等、現場条- 131 -

件に応じて一番感度がよく、離間があっても認識できることを満足する、周波数 300MHz 帯の運用とその指向性のアンテナを採用した。
各周波数帯の特徴等を表-2 に示す
実施前の試験で再現が難しい事象として以下の事項が挙げられた。
①狭隘なトンネル内にアンテナを設置しても、無線が乱反射してしまい RFID タグを受信機が認識出来ない可能性がある。
②曲線部（最小曲線半径 R=30m）においてアンテナを使用した場合、受信機が RFID タグを認識できない可能性がある。
③システム作動の管理距離は計算上の制動距離により設定しているが、実際のシステム作動
距離はバッテリーロコの計算上の制動距離を大きく越えてしまう懸念がある。
（軌条が湿潤していることで錆びが浮いている場合に予期しない制動距離になってしまう可能性がある）
上記事項については現場にて本システムを導入した後に確認をし、問題が発生した場合にはその問題について再検討・対応をすることとした。
表-2
周波数帯

各周波数帯の特徴
特徴

130～135kHz

・水分の影響を受けにくい

13.56MHz・水分の影響を受けにくい

300MHz433MHz
900MHz
2.4GHz・通信距離が長い(50m 程度)
・障害物の影響を受けにくい

安全性の確保の高度化を図った。
導入した設備、システムを以下に述べる。
6.1 自動速度制限システム
本工事は急曲線（最小曲線半径 R=30m）を含んでおり、通常より早い 10km/h の走行速度をバッテ
リーロコに適用すれば様々な安全上の懸念が想定された。
そこで光電センサーと反射板を利用し、急曲線（曲線半径 R=200m 以下）区間の走行ではバッテ
リーロコの速度に自動で速度上限が作動するように対応し、バッテリーロコの走行の安全確保に努めた。
自動速度制限システムの概要を図-3 に示す。
位置検知板

10km/h
通常速度

図-3

6km/h
減速

指定速度

10km/h増速

通常速度

自動速度制限システム概要

6.2 負作動ブレーキの採用
連結車両間は牽引棒とチェーンで連結している。
牽引する先頭車両には負作動ブレーキを採用することにより、万一台車が逸走した場合は負作動
ブレーキ解除用のケーブルを断線する。
負作動ブレーキは電気的に解除しているので、ケーブルの断線により電源が遮断された場合はブレーキが作動し、逸走防止となる。

・通信距離が長い（100m 程度）
・障害物の影響を受けにくい
・通信距離が長い
・通信速度が早い・通信距離が長い（100m 程度）
・読取範囲を調整しやすい

５．実施結果本システムを現場に適用し、システムの運用・作動などを確認した結果、４章で懸念していたようなトラブルは発生せず、問題なく本システムは作動した。
さらに指向性アンテナの感知距離性能についても狭隘なセグメント坑内でも工場での試験結果と同等の性能を有する事を確認した。
これに関しては採用した周波数帯（300MHz）が指向性および感知距離についていずれも最適であったと確認できた。
６．その他に採用した軌条設備の安全システム
さらに他の軌条設備の安全システムを導入し、７．最後に今回のシステムを採用しその有効性が確認できたことにより、軌道設備における安全性の向上が図れた。
また、システムの開発を現場で行ったことにより、工事関係者の安全に対する意識の向上も見られた。
今後は入坑管理システムと合わせて積極的に採用されるよう小断面図トンネルに水平展開を図り、これにより一つでも多くの事故が防止できることを望んでいる。
また、小断面のトンネルだけでなく中断面・大断面での適応が可能かを検証し、その都度改良を加えていきたい。
さらに、今回の知見を活かし自動搬送システムなどの安全システムの高度化を図りたい。
最後に今回の開発に携わって頂いた協力会社の皆様方及び現場にて協力して頂いた方々に御礼を申し上げます。

- 132 -

32．カメラを搭載した小型無人飛行船による高所の目視検査

足利工業大学
戸田建設（株）足利工業大学

○ 仁田
渡壁
石田

佳宏
守正
正美

ジェクト」を公募し、採択課題を選定している。
１．はじめに
本研究では、屋内運動施設やホール、工場の天2011 年 3 月に発生した東日本大震災時には、多くの体育館やホール、工場、鉄道の駅および空港 井部分など高所の安全点検を効率よく簡便に行う
で天井板が落下しており、東京都内や宮城県内な ことを目的として、Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行
どでは死傷者も生じている 1), 2) 。2012 年 12 月には、 船による近接目視検査手法を提案し、Wi-Fi カメラ
支持部の老朽化により、中央自動車道笹子トンネ 搭載小型無人飛行船も試作する。また、小型無人
ル内で天井崩落事故が発生し、多くの死傷者が生 飛行船の特性や性能を、高所の目視点検を対象とじている 3), 4) 。2013 年 7 月には、幸いなことに人 した開発事例が増えつつあるマルチローター機と的な被害は生じなかったものの、屋内プールの天 比較検討する。試作した Wi-Fi カメラ搭載小型無
井が、老朽化により落下する事故も発生している。 人飛行船の有用性は、大学構内の実験棟の天井をまた、体育館などの照明機材についても、老朽化 対象とする目視検査により確認する。
による落下事故が多発している。天井部材や天井に付随する設備の落下が相次いでいることを受け、 ２．Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行船
高所の安全点検を効率よく行うために、Wi-Fi
文部科学省は「地震による落下物や転倒物から子どもたちを守るために～学校施設の非構造部材の カメラ搭載小型無人飛行船による目視検査を提案
耐震化ガイドブック」を取り纏め、天井部分の点 する。提案する目視検査では、図-1 に示すように検や耐震化を推奨している 5)。一方で、体育館や 係留索を備えた Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行船
屋内プールなどの屋内運動施設やホール、工場な をオペレーターが操船し、点検員が Wi-Fi カメラ
どの天井部分は、天井高が高く、大規模空間とな の映像をタブレットで確認し安全点検を行う。係
るため、立入るには大規模な足場などを設置する 留索は、操縦不能時など異常時に安全に小型無人必要などがあり、技術者による安全検査を行い難 飛行船を回収するために用いる。
本研究で試作した Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛い箇所となっている。また、建築構造物の照明器
具や天井板については、設備機器や非構造部材の 行船の寸法は、幅 600mm、船体長さ 850mm、高さ扱いであり、構造部材ではないため、目視検査が 800mm で、重量は約 250g である。試作した Wi-Fi
中心である上、点検頻度が少ないか損傷が視認で カメラ搭載小型無人飛行船を図-2 に示す。小型無きる場合を除き行われないことが多いのが現状で 人飛行船は、省電力性を考慮して、Bluetooth デバ
イスおよび Arduino を搭載しており、PC もしくはある。
東日本大震災を契機として、無人化施工技術や Android 端末を用いて操作を行う。操作は、マニュ
無人機（UAV）による被災調査技術などが注目を アル操作であり、図-3 に示すように Arduino 内の集めており、建築・土木分野においても様々なロ UART 機能とディジタル入出力機能により、受信ボット技術が活用され始めている 6) - 13) 。このよう したコマンドに応じて、操船を行う。具体的には、な状況のもと、国土交通省は、トンネルや橋梁な 2 機のプロペラ付のモーターの正回転と逆回転をど技術者が直接検査を行うことが困難な箇所を対 制御することで前後進および旋回方向の操船を行象として、ロボット技術を活用した実証実験の公 い、プロペラを設置したサーボの位置制御により募を行い、2014 年 10 月頃に採択技術の現場検証を 上下方向の操船を行う。また、試作した小型無人行うことを予定している 14) 。合わせて、(独)新エ 飛行船の制御可能範囲は、Bluetooth デバイスの通ネルギー・産業技術総合開発機構も「インフラ維 信可能距離の制約から約 20m であり、駆動可能時
持管理・更新等の社会課題対応システム開発プロ 間は、3.7V のリチウム充電池を用いて、約 1 時間

- 133 -

図-3 Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行船の制御フロー

Wi-Fiカメラ搭載
小型無人飛行船

係留索
オペレーター
点検員

図-1 目視検査の模式図(a)小型無人飛行船(b) 動力装置の詳細
図-2

Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行船程度である。
搭載する Wi-Fi カメラは、利便性を考慮して、専用機器を必要とせずかつ野外でも簡便に使用できるように Android 端末などから画像を確認できるネットワークカメラタイプの 30 万画素の Wi-Fi
カメラを採用する。採用した Wi-Fi カメラは小型軽量であるため、カメラ自体にはズーム機能およびチルトパン機能は備わっていない。そこで、ズーム機能については、小型無人飛行船を検査対象に近接することで、パン機能については飛行船の旋回性能で、チルト機能については Wi-Fi カメラが設置されたサーボを制御することで代用する。
また、暗所でも鮮明な画像を撮影できるように高輝度 LED も装備している。試作した Wi-Fi カメラ
搭載小型無人飛行船の材料費は、Wi-Fi カメラを含めて約 3 万 5 千円程度である。
３．マルチローター機との比較
近年、橋梁やプラントなどの高所の目視検査を目的として開発事例が増えつつあるマルチロータ
ー機 10) – 13) と試作した Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行船の特性や性能を比較する。比較は、①積載可能重量、②飛行継続時間、③操作性、④耐風性、⑤落下時の安全性、⑥機体コストの 6 項目について行う。
① 積載可能重量
積載可能重量は、カメラなどの撮影機器や照明機器を積載することを考慮して、可能な限り大きいことが望ましい。マルチローター機は機体により幅はあるものの、大型のものでは最大 10kg 程度まで積載可能である。一方で飛行船は、ヘリウムガスの浮力に依るところが大きく、試作飛行船では
約 50g 程度の積載重量が限界であることから、マルチローター機の方が高い性能を示す。
② 飛行継続時間
小型無人飛行船はヘリウムガスの浮力を用いているため、Bluetooth デバイスによる無線通信の電力消費が主であり、飛行継続時間は約 1 時間程度である。一方で、マルチローター機は、モーターの電力消費が大きく、多くの機体で約 15 分から 20分程度である。
③ 操作性
ジャイロやマイコンなどを搭載することで、マルチローター機は、自動操縦も可能となってはきているが、近接目視を行うためには、マニュアル操縦が必要である。このマニュアル操縦については、
事前に訓練をする必要があり、マニュアル操縦の操作性は高くはない。小型無人飛行船は、マニュ- 134 -

アル操縦を基本としてはいるが、飛行船自体に浮いた方が有用であると考えている。

表-1 試作飛行船とマルチローター機との比較
試作飛行船

マルチローター機

積載可能重量×◎

飛行継続時間

〇

×

操作性

〇

△

耐風性

×

〇

落下時の安全性

◎

×

機体コスト

〇

△

力があることもあり、初心者でも操縦できるほど、操作性は簡易である。
④ 耐風性
飛行船は、一般的に風の影響を受け易く、耐風性はほとんどないのに等しい。飛行船に対し、マルチローター機は機体特性にもよるが、風速 5m/s 程度までの風であれば安定して飛行できるものが多く、耐風性能は飛行船よりも高い。

図-4 小型無人飛行船の飛行の様子

４．実建物への適用
Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行船による目視検査の有用性を確認する目的で、大学構内の実験棟の天井部分の目視検査を行った。目視検査は、無風状態で行い、対象とした実験棟の床から天井部⑤ 落下時の安全性
分までの階高は約 10m である。ただし、実験棟のマルチローター機は、機体重量が 1kg を超えるも天井に老朽化や損傷は生じていない。実験棟内でのが多く、操縦不能時やローターに損傷が生じたの Wi-Fi 小型無人飛行船の飛行の様子を図-4 に示
際には、急落下する危険性があるため、落下時のす。老朽化部位や損傷部位の検知は、Wi-Fi カメラ
安全性については、事前に考慮する必要がある。
搭載小型無人飛行船が撮影した画像をリアルタイ
落下時の安全性を考慮する必要のあるマルチロー
ムもしく動画として視認することで確認する。動ター機に対して、小型無人飛行船は Wi-Fi カメラ
画による確認においては、撮影した動画よりパノを含んだ全重量が約 250g 程度と軽量であるうえ、
ラマ画像を作成することで、天井の全体像の把握
浮力をヘリウムガスに依っているため、操縦不能を行う。パノラマ画像の作成には、フリーソフト
時や飛行船部分に損傷が生じた際も、急落下するの Microsoft Image Composite Editor 15) を用いる。約ことはほとんどなく、落下時の安全性は高いと考
20 秒間の動画より作成したパノラマ画像の例を図えられる。
-5(a)に示す。本適用では、Wi-Fi 搭載小型無人飛行
船を一定高度で飛行させていないため、パノラマ⑥ 機体コスト
試作した小型無人飛行船の材料コストが Wi-Fi 画像に歪んでいる部分はあるものの、図-5(a)によカメラを含めて約 3 万 5 千円程度であるのに対し、 り天井の全体像の把握が可能であることが確認でマルチローター機は機体の販売価格のみで安いも きる。接合部については、近接画像により目視検のでも 10 万円程度であることから、機体コストに 査を行う。水平ブレースの接合部の近接画像を示した図-5(b)より、接合部の詳細が把握可能である
ついては、飛行船の方がはるかに安価である。
ことが確認できる。
以上、試作した小型無人飛行船とマルチロータ
以上の結果から、Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行
ー機の特性、性能を比較検討した結果を表-1 に示船により撮影した動画をもとに、パノラマ画像のす。表-1 より、機体コストが安価であること、落作成と近接画像の抽出を行うことで、足場などを下時の安全性が高いことから、小型無人飛行船を必要とすること無しに、簡便に天井などの高所の用いることで、マルチローター機を用いるよりも目視検査が可能となることが確認できる。
安価にかつ簡便に高所の近接目視検査を行うことが出来ると考えられる。しかし、積載重量が大き
５．まとめ
く、高性能な撮影機材が使用可能であることや耐本研究では、屋内運動施設やホール、工場の天風性が高いことから、屋外を対象とするものや詳
井部分など高所の安全点検を効率よく簡便に行う
細な目視検査については、マルチローター機を用ことを目的として、Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行- 135 -

用性を考慮すると、画像処理を用いて自動的に検知できると利便性が高いと考えている。従って、画像処理による老朽化や損傷の自動判別手法の開発も必要である。

船を試作し、試作した小型無人飛行船による近接

参考文献
1) 日経アーキテクチュア(編集)：東日本大震災の教訓 都
市・建築編

覆る建築の常識，日経BP社，20112) 川口健一・大場康史・中楚洋介： 2011年東北地方太平洋沖地震による空港ターミナルビル内天井落下及び天井衝撃力の推定，日本建築学会技術報告集，Vol.39，
pp.789-793，2012
3) 国土交通省：中央自動車笹子トンネル天井板落下事故
関連情報，http://www.mlit.go.jp/road/road_tkl_000033.
html，2012(a) パノラマ画像

4) 国土交通省：報道発表資料 トンネル天井板の落下事故に関する調査・検討委員会 報告書について，
http://www.mlit.go.jp/report/press/road01_hh_000363.html ，
20135) 文部科学省：地震による落下物や転倒物から子供たちを守るために，〜学校施設の非構造部材の耐震化ガイ
ドブック，2010
6) 森山和道：東日本大震災・福島原子力災害に対するロ
ボット，ロボコンマガジン2011年7月号， pp.19-21，20117) 井上猛雄：災害とロボット，オーム社，20128) 田中幸悦：What's New モニタリングロボット，

建築設備士，Vol. 43，No.2，pp.44-46，2013(b) 近接画像
図-5 Wi-Fi カメラ搭載小型無人飛行船による目視画像

9) 仁田佳宏・西谷章・渡壁守正・稲井慎介・岩崎充実：
ワイヤレスカメラを用いた天井ふところ内の損傷目視
検 査 ， 計 測 自 動 制 御 学 会 論 文 集 ， Vol.49 ， No.7 ，

目視検査を提案した。提案した検査の有用性は、
pp.733-735，2013
大学構内の実験棟の天井を対象とした目視検査を 10) （株）0：ブラシレスジンバル【1.0Kgクラス】屋内プ
行い確認した。提案した Wi-Fi カメラ搭載小型無ール撮影サンブル(照明無し)，http://www.youtube.com
人飛行船による目視検査は、足場などを組むこと
http://www.youtube.com/watch?v=Suaw11aJqKM，2013
なく、高所の近接目視が可能となることから、実 11) 久保竜志・木村信隆・五十嵐祐貴：高速道路のさらな用性は高いと考えられる。また、屋内環境においる「安全・安心」確保に向けた取組み －スマートメンては、既往研究で多くの実績のあるマルチロータ
テナンスハイウェイ(SHM)構想－，土木施工，Vol.55，
ー機と比較しても、試作した Wi-Fi カメラ搭載小No.8，pp.145-149，2014
型無人飛行船は、安価、軽量であり、落下時の安 12) 西山章彦・茂木正晴・藤野健一：小型カメラを搭載し全性も高いことから、有用性はあると考えている。
たUAVの橋梁点検に関する適応性検証について, 第13今後の研究課題として、
次の 2 点を考えている。
回建設ロボットシンポジウム論文集，pp.331-336，2012(1) 位置情報把握について目視点検する際には、自動で老朽化や損傷の位置を把握できることが望ましい。しかし、屋内では、GPS の使用は難しいため、点検時のみ機器を設置するような簡便な位置情報把握シ
ステムの開発が必要と考えている。

13) 井上公・内山庄一郎・鈴木比奈子：自然災害調査研究のためのマルチコプター－空撮技術－，防災科学技術
研究所研究報告，Vol.81，pp.61-98，2014
14) 国土交通省：次世代社会インフラ用ロボット技術・ロボットシステム(公募) ，https://www.mlit.go.jp/sogoseisa
ku/constplan/sosei_constplan_fr_000023.htm，201415) Microsoft Research：Microsoft Image Composite Editor,(2) 画像処理について提案した目視検査では、技術者が映像を視認することで、老朽化や損傷を検知しているが、実- 136 -

http://research.microsoft.com/en-us/um/redmond/groups/iv
m/ICE/, 2011

33．コンクリート構造物非破壊検査のための遠距離非接触音響探査法
桐蔭横浜大学大学院
佐藤工業㈱技術研究所
明篤技研

１．はじめに
現在、トンネルや橋などのコンクリート表層部
欠陥の検査手法として打音検査が主流である。しかし、この方法ではハンマーを用いて直接コンクリートに打撃を加える必要があるため、人の手の届かないような場所の検査は困難である。そのため、高出力指向性音源による空中放射音波を用いた全く新しい遠距離非接触音響探査法の検討を行ってきた 1-3）。本手法は、通常の打音法と同じたわ
み共振を利用した手法であるため、将来的には打音検査を置き換える手法となる可能性が非常に高い。ここでは円形モデル供試体を用いた検出可能な欠陥の平面規模および深さ、剥離試験体を用いた剥離欠陥の検出および実際のコンクリート構造
物における探査結果等について紹介する。

○ 杉本
歌川
片倉

恒美
紀之
景義

も発生できる長距離音響発生装置(LRAD; Long
Range Acoustic Device, LRAD Corp., LRAD-300X)を用いる。

図1．非接触音響探査法の基本構成図

2.2 トーンバースト波を用いた S/N 比改善
２．遠距離非接触音響探査法の計測原理
欠陥部を励振させるための加振用音波として、
2.1 非接触音響探査法の概要
持続時間の長いチャープ信号(例：持続時間 2s、
非接触音響探査法の概要図を図 1 に示す。音源 500-5000 Hz の広帯域の Linear up chirp 波）を用いから発した平面波音波により測定対象壁面を励振 ると、壁面からの反射波の影響で計測用のレーザ
し 、 励 振 時 の 壁 面 上 の 振 動 速 度 を LDV (Laser ヘッドが振動し、それが S/N 比に悪影響をもたら
Doppler Vibrometer) により光学的に計測する。も すことが明らかになっている。しかしながら加振し、壁面内部に水平方向のひび割れなど空隙欠陥 用の音波と計測用のレーザ光の伝搬速度の差を利が存在していたとすると、その欠陥部上は健全部 用して、対象壁面からの反射波がレーザヘッドにに比べ曲げ剛性が低下するため、たわみ振動が生 到達する前に計測を終了させることにより、上記
じやすくなっている。例えば欠陥部分の形状を円 の問題を回避して S/N 比を改善することが可能と形と想定した場合、単純支持した円板と近似でき なる。そのため、本研究では図 2 に示すように異る。そのときの一次固有振動数は下式で表される 4）。 なる中心周波数帯をもつ短いパルス波を逐次送信することで、チャープ波と同等の広帯域の周波数成分を得ることができる広帯域トーンバースト波
を送信波として採用することにした。
ここで、a は半径、h は板の厚み、E はヤング率、
壁型コンクリート供試体(1.5×2.0×0.3 m3)内の深ρ は密度、ν はポアソン比である。(1)式からわかる さ 75mm に埋設された欠陥（発泡スチロール板
ように、欠陥部のたわみ振動の固有振動数は板の (300×300×25 mm)を用いて、トーンバースト波の検厚みに比例し、半径の二乗に反比例する。
証実験を行った。計測に使用した広帯域トーンバ
本研究では LDV としてはスキャニング機構を ースト波は各パルス幅 3 ms (Bandwidth: 330 Hz)で、備えたスキャニング振動計（SLDV : Scanning Laser パルス間インターバルは 100 ms である。各パルス
Doppler Vibrometer : Polytec Corp., PSV400-H4 ) を、 の中心周波数は 500-5100 Hz の範囲で 200 Hz ずつ
音 源 と し て は 通 常 の ラ ウ ド ス ピ ー カ と 異 な り 変調し、全体で 170-5430 Hz 程度の周波数成分を有100dB 以上の音圧を 10 メートル以上離れた場所で している。音源から対象面およびレーザヘッドか

f 

4.98
2a 2

Eh 2
12  (1   2 )(1)- 137 -

ら対象面までの距離は 5 m および 5.4 m である。
計測点は欠陥部の中心部の 1 点のみである。計測された欠陥部上の時間ゲート適応後の振動速度ス
ペクトル例を図 3 に示す。従来の加振用音波としてチャープ波を用いると光学系の振動ノイズが取り除くことができなかったため、S/N 比 4 dB であるのに対し、今回の提案手法では 19 dB と、従来法に比べ 15dB の改善が行われたことがわかる。

図 2．
(a)

広帯域トーンバースト波の概要図(a)時間波形、(b)振動速度スペクトル1.60E-06

Vibration velocity (m/s)

1.40E-06
1.20E-06

Defect signal(2733 Hz)

1.00E-06
8.00E-07
6.00E-07
4.00E-07
2.00E-07

３．遠距離からの欠陥検出実験
SLDV と LRAD を組み合わせることにより、手法が実際に 5m 以上の離隔で探査が行えることを確認するために実証実験を行った。音源とコンクリート供試体間は 10 m に設定した。音源である
LRAD は供試体に正対して設置し, SLDV はそのやや斜め後方の位置から計測を行った。実験に用いたコンクリート供試体の大きさは 150×200×30 cm3である。供試体には深さ 5 cm の位置に 30×30×2.5
cm3 の発泡スチロール板が埋設されている。音源としては米 LRAD 社の LRAD 300X を, SLDV としては独 Polytec 社の PSV400-H4 を使用した。また, 探査用の送振波形としては広い周波数帯域を持った
チャープ波を用いた。実験時の出力音圧はコンク
リート表面付近で約 110 dB である。
図 4 に欠陥部の応答周波数帯の輝度映像結果（周波数スペクトルの最大値で規格化したスペクトル表示）を示す。探査用のリニアアップチャープ(500-4200 Hz,1800-2400 Hz)を送振した結果, 2 kHz
周辺で明瞭なスペクトルピークを存在することがわかる。帯域を絞ったチャープ(1800-2400 Hz)を送振した場合の SLDV の振動速度分布の映像化例を
図 4（映像化周波数は 1998Hz）に示す。図中の大きな白四角が埋設物の位置と大きさを示しており,その他の細白線の交点はスキャンポイント位置を示している。スキャン領域は 60×70cm2 の大きさで,計測ポイント数は 195（13×15）ポイントである。
この映像から埋設物中心での振動が見てとれる。
この結果から, 10 m の離隔であっても、本手法による欠陥検出が可能であることを確認した。
(a)0.00E+00
0

2000

4000

6000

Frequency (Hz)(b)
1.60E-06(b)

Vibration velocity (m/s)

1.40E-06

Defect signal(2733 Hz)

1.20E-06
1.00E-06
8.00E-07
6.00E-07
4.00E-07
2.00E-07
0.00E+00
0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Frequency (Hz)図 3. 欠陥部上の振動速度スペクトルの例(a) トーンバースト波＋ゲート処理後(b) チャープ波

図 4. 10m の離隔での探査結果例(a) 振動速度スペクトルの輝度表示例,(b) 振動速度分布(1998Hz)- 138 -

４．検出可能な欠陥の大きさ及び深さについて 5)
4.1 円形欠陥モデル
検出可能な空洞の大きさ及び深さについて検討するために, 埋設深さと直径を変化させた円形欠陥モデル（発泡スチロール 25mm 厚）を埋設した
コンクリート供試体（2×1.5×0.3m3)を製作した(図 5参照)。円形発泡スチロールの直径および深さは直径 50mm のものが深さ 10, 20，40 及び 60mm に, 直
径 100mm のものが深さ 20，40, 60, 80mm に直径
150, 200 および 300mm のものが深さ 40, 60, 80，
100mm の位置に埋設されている。

図 5. 円形欠陥モデルを埋設したコンクリート
供試体(発泡スチロール 25 ㎜厚を埋設)
4.2 実験セットアップ
実験セットアップ図を図 6 に示す。LRAD は欠
陥部に正対させ、SLDV は LRAD のやや後方に配置した。コンクリート供試験体からの離隔はそれ
ぞれ 5m、5.4m である。

に叩いて判定をしてもらった場合の結果である。
両手法ともに加振方法に違いがあるにも関わらず,同様な探査性能を示していることがわかる。
表 1 円形欠陥モデルの検出結果(上段：岩検ハンマーによる叩き点検結果)(下段：非接触音響探査法による検出結果)

５．剥離試験体での検出結果
前節の検討では空洞欠陥を模擬するために 25 ㎜
厚の発泡スチロールを用いた。しかしながら、実際のコンクリート内部の欠陥としては大きな空洞
欠陥よりも、鉄筋部が錆びて膨張することにより生じる剥離欠陥の方が現実的であると思われる。
一方で、非接触音響探査の探査原理は、コンクリ
ート表層部のたわみ共振によるものであるため、表層部にわずかな空気層があれば板振動を生じさせることが可能である。そのため、欠陥の検出精
度はその間隙幅には依存しないということが想定される。そこで、剥離欠陥を模擬した供試体を製作して探査可能かどうかの検討を行った。
5.1 剥離欠陥モデルの作成方法
剥離欠陥モデルは壁型供試体(150×200×30 cm3)にひび割れを有した小型供試体(以下ひび割れモデル)を埋設することで再現した。ひび割れモデルの製作手順を以下に示す。

図 6. 実験セットアップ
4.3 円形欠陥モデルの実験結果
5m の離隔からの探査結果を表 1 に示す。上段は岩検ハンマーを用いた叩き点検法による検出の可否(3 名でブラインドテストを行い, ○は検出可能, △は判定が分かれるもの, ×：検出不可), 下段は本手法による検出の可否（○は検出可能, かつ SLDV の共振ピーク以上の共振ピークを検出した場合でその共振周波数を表示, △は SLDV の共振ピークと同程度以下のピークを検出した場合, ×：検出不可を示す）を示している。岩検ハンマーを用いた叩き点検では, 打音検査のプロではない素人の方に自① 円柱状コンクリートピース(φ100×200 mm)を
割裂引張強度試験により 2 つに割裂させる。
② 測定面側をフラットにするため、割裂させたテストピースのうち一つを半分にカットする。
③ 割裂させた二つの供試体間に金属スペーサを挿入することで間幅を調整。
④ エポキシ接着剤を亀裂部周囲に塗布。供試体の固定とともに、後に流し込むコンクリートの侵入を防ぐ。
埋設したひび割れモデルは 4 種類で、内 3 種類それぞれ間隙幅が異なる。この時調整した間隙幅は1.0 mm、0.5 mm および 0 mm である。0 mm のもの
は割裂後にスペーサなどを挿入せずに再度固定し- 139 -

(a)たものである。残りの 1 つは空洞の代わりとして厚さ 25mm の発泡スチロールを挿入したものである。埋設後の各試料のひび割れの深さは 25 mm 程度、欠陥寸法は 100×200 mm2 となる。加えて
φ150×300 mm の円柱状テストピースを用いて製作
したはく離モデルもそれぞれ 4 種類上記の手順により用意した。この試料のひび割れ深さは 50 mm、欠陥寸法は 150×300 mm2 である。これらの試料を埋設したコンクリート供試体（200×150×30 ㎝ 3）を製作して実験に使用した(図 7 参照)。実験セット(b)
アップ自体は前節と同じである。

図 8. 各欠陥試料上での振動速度スペクトル(a) 深さ 25 mm, 欠陥寸法 100×200 mm2,(b) 深さ 50 mm, 欠陥寸法 150×300 mm2
図 7. 剥離欠陥モデルを埋設したコンクリート供試体
5.2 剥離欠陥モデルの実験結果
欠陥部(埋設位置の中心)と、その周辺の健全部上の振動速度スペクトルを比較したものを図 8 に示す。図 8 (a)は深さ 25 mm、欠陥寸法 100×200 mm2のものである。図中の発泡スチロールおよび間隙
幅 1.0 mm では 3.5 kHz 周辺で明確な応答が見られる。0.5 mm と 0 mm においてもピークが確認出来るが、発泡スチロールと間隙幅 1.0 mm のものに比べると振幅が小さい。これは設定間隙幅が狭くなったため、割裂したテストピース間の接触面積が増加していることが影響していると考えられる。
図 8 (b)は深さ 50 mm、欠陥寸法は 150×300 mm2 の結果である。図 8 (a)と比べると欠陥自体が深いため、全体的な振幅は小さいが、図 8 (a)と同様に間隙幅 0 mm のものであってもピークを確認することが出来る。これらの結果から、ここで示すはく離欠陥の広さと深さであれば、間隙幅が 0mm であっても、欠陥の有無については探査できることが分かった。なお、両グラフともに 1 kHz で見られるピークは SLDV レーザヘッド自体の共振周波数である。また、図 9 に間隙幅 0mm、深さ 50 mm、欠陥寸法 150×300 mm2 の割裂試験体に対する非接触音響探査法による探査結果例を示す。図より間隙幅 0mm であってもわずかな空気層があれば本手法により検出可能であることがわかる。

図 9．間隙幅 0mm の振動速度分布図
映像化周波数:3572 Hz,
スキャンポイント数 77 (7x11)
６．振動エネルギー比を用いた欠陥検出
6.1 振動エネルギー比の定義
実際のコンクリート構造物に見られる欠陥の形
状は深さや大きさも一様ではなく複雑であるため、したがって検出される振動速度スペクトルも、前節の剥離欠陥モデルの試験結果同様に複数のピー
クをもつことが考えられる。そのため、欠陥検出
アルゴリズムとして単一のピークを検出するというだけでは不十分である。しかしながら、欠陥部が振動した場合には健全部に比べて振動エネルギーが大きくなることが考えられるため、ここでは健全部を基準とした振動エネルギー比を用いた欠陥検出を考える。ある周波数範囲での振動速度のパワースペクトルの和を振動エネルギーに対応する値であると考えて、振動エネルギー比を(2)式のように定義する。

- 140 -

X

VER 
 X
2

1

2

1

( )  d2defective _ part

health _ part ( )  d2(2)

6.2 振動エネルギー比による欠陥検出の検討
実際に昨年度の円形欠陥モデル供試体の場合に,振動エネルギー比を適用した結果を図 10 (a)に示す（現状では 1 kHz 以下に存在する SLDV の共振
周波数のノイズが完全に取り切ることが出来ない
ため、ここでは f1 を 1.35 Hz、f2 を 8 kHz としている）。図より半径がそれなりの大きさ(200φ~300φ)であれば, 広い範囲(40mm~100mm)で, 振動エネ
ルギー比と欠陥深さが反比例していることがわかる。この事実は振動エネルギー比により欠陥深さが推定できる可能性があることを示している。図10 (b)に健全部同士の振動エネルギー比を示す。健
全部同士のエネルギー比の計算は、昨年度製作した円形欠陥モデル供試体中の 8 点で計測された健全部のデータのすべての組み合わせで行った。これら健全部同士の振動エネルギー比のばらつきの上限と下限である±3.6 dB を欠陥判定の閾値とす
ると、φ200 mm では 80 mm 程度の深さまで検出可能であることがわかる（図 10 (a)の点線が閾値である 3.6dB を示す）。
(a)

(b)

図 10．振動エネルギー比の計算結果(a)円形欠陥部上、(b)健全部同士

７．実コンクリート構造物での検出結果例
7.1 ボックスカルバート
探査対象とした北陸自動車道のボックスカルバ
ートを図 11 に示す。探査対象としたのは塩害が特に進展していると思われる海側側壁である。

図 11．ボックスカルバートでの実験風景
叩き点検結果および非接触音響探査法による振動
エネルギー比の映像結果を図 12 に示す。図中に示された地表面から高さ 1.7 m の赤枠のエリアを対象とした。1 回の測定規模は 1.0×1.0 cm 程度とし、4 エリアに分け測定した。1 エリアのスキャンポイ
ント数は 5×5 ポイントである。音源から対象面までの距離は 4 m 程度である。床および天井面反射による干渉を抑えるため、床面から音源の高さは 2m と設定した。SLDV のレーザヘッド位置も同様
な距離、高さに設定し、良好な受光感度を得るた
め、各測定エリアに対し正対させている。送信波
形は広帯域トーンバースト波である（持続時間
3ms、変調インターバル 200Hz、パルス間インター
バル 50ms、開始―終了周波数 1500-6500Hz、コン
クリート表面での音圧は 100 dB 程度）。加算平均
回数は 1 点につき 10 回とした。

図 12．叩き点検(右)および非接触音響探査法（左）による調査結果(斜線部:浮き)振動エネルギー比の基準となる健全部のデータは、
今回測定された全スキャンデータの中から、最も振動エネルギーが小さい物を用いた。図から、海側に比べ、陸側の側壁の方が高いエネルギー比を示している。健全部とのエネルギー比 4 dB を欠陥
判定の閾値とすると、図中の左半分はほぼ欠陥部と判定される。叩き点検において浮きと判定された部位と音響探査法によりエネルギー比率が高く- 141 -

判定された部位は非常に近く、音響探査法の探査
精度は叩き点検と近い性能を有している事が確認出来る。
7.2 RC 床版
探査対象とした RC 床版のある橋梁の外観を図13 に示す。実験日は特に車両規制等はなく、トラック等が走行している状態で行った。探査対象としたのは塩害が特に進展していると思われる海側の RC 床版(図 13 (a) 中奥側)で、床版は図 13 (b)に示すよう下面側から計測した。1 回の測定規模は60×60 cm 程度とし、これを延長方向に繰り返し、
合計 9 エリア測定を行った。1 エリアのスキャンポ
イント数は 6×5 ポイントである。音源から対象面までの距離および SLDV から対象面までの距離は
2 m および 2.2 m である。送信波形は広帯域トーン
バースト波である（持続時間 3ms、変調インター
バル 200Hz、パルス間インターバル 50ms、開始―
終了周波数 500-5500Hz、コンクリート表面での音
圧は 100 dB 程度）。点数が多いため、測定速度の効率を考慮しパルス間インターバルは 50 ms と通常の半分に設定した。出力時の音圧は 100 dB 程度である。加算平均回数は 1 点につき 10 回とした。
対象面までは 3 m と、簡便な足場があれば手の届
く高さであったため、この時マイクロホンを用いた打音法による計測も比較用に実施した。
図 14 に探査結果を示す。非接触音響探査法の結果は振動エネルギー比による評価を行った。基準となる健全部のデータは、今回測定された全スキャンデータの中から、最も振動エネルギーが小さい物を用いた。図 14 (a) は音響探査法によるエネ
ルギー比分布、図 14 (b) は打音法による厚さ分布である。図 14 (a) 中のエネルギー比の高い位置と図 14 (b) の薄く判定された位置を比較すると、概ね位置関係が合致している事がわかる。

非破壊検査法として期待できると思われる。
(a)(b)

図 13 実験風景 (a) 橋梁外観 (b) セットアップ

図 14

RC 床版の探査結果例 (a)音響探査法 振動
エネルギー比分布, (b)打音法 厚さ評価分布
謝辞

本 研 究 は 平 成 22-25 年 度 の 国 土 交 通 省 、委 託 研 究「 道路政策の質の向上に資する技術研究開発」の助成を受けて行われたものである。

参考文献
1) Tsuneyoshi Sugimoto, Ryo Akamatsu, Noriyuki Utagawa
and Syuichi Tsujino : Non Contact Long Distance

Exploration Method for Concrete using SLDV and LRAD, J.
８．まとめと今後の課題
Acoust. Soc. Am, 131 (4): p.3462, 2012
5m 以上の遠隔からでもコンクリート構造物の非破壊検査が可能な非接触音響探査法の基本原理, 2) 赤松亮、杉本恒美、歌川紀之、辻野修一 : 長距離音響
コンクリート供試体および実コンクリート構造物
発生装置を用いた非接触欠陥検出法の検討, コンクリ
ート構造物の非破壊検査、Vol.4, pp.31-36, 2012
を用いた検討を行った。最初に円形欠陥モデルを用いた実験結果より, 5m の離隔でも打音法と同 3) R.Akamatsu, T.Sugimoto, N.Utagawa, and K.Katakura :様な探査性能を示していることが明らかになった。 Proposal of Non-Contact Inspection Method for Concrete
Structures, Using High-Power Directional Sound Source and次にはく離モデルを用いた実験結果より, 割裂幅
Scanning Laser Doppler Vibrometer, Jpn. J. Appl. Phys.,
0 ㎜のひび割れであっても検出可能であることもVol.52, 07HC12, 2013
明確になった。さらに主に実コンクリート構造物
を用いた実験結果から、本手法がたたき点検法と 4) 日本機械学会編：機械実用便覧(改訂第6版), 丸善㈱, 東京, 2006.9
同程度の精度で欠陥検出を実施可能であることが
5) K.Katakura, R.Akamatsu, T.Sugimoto, and N.Utagawa : S
明らかになった。
tudy on detectable size and depth of defects in nonconta
以上より, 本手法は打音法と同じたわみ共振現
ct acoustic inspection method, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.5
象を利用していることから, 将来的には打音法に
3, 07KC15, 2014
置き換わる標準的なコンクリート構造物の遠距離- 142 -

34．傷んだアスファルト舗装を簡易に補修する工法機械の開発
大成ロテック株式会社
大成ロテック株式会社
大成ロテック株式会社
１．はじめに近年，建設業界は，公共事業の復調や 2020 年の東京五輪を見据えたインフラ整備等に伴い，政府の建設投資額は増加傾向にあり，回復基調を示しているが，その一方で，労務費や資材費の高騰が業界の懸念材料となっている。そのような状況の中で，道路建設工事においては，工事コスト縮減
や，地球環境への配慮等，社会的要求事項への対応も求められている。
このような状況下において，今後，将来的には新設道路の建設は減少し，維持修繕工事が増加することが予測されることから，効果的かつ効率的な維持修繕技術が求められている。
大成ロテック㈱では，その解決策として，従来の路上表層再生技術（サーフェイスリサイクリン
グ工法）を更に簡素化し，既設舗装路面を再生す
る低コスト路面維持工法である『ヒートリフレッ
シュ工法』を提案し，専用の施工機械を開発した。
本稿では，ヒートリフレッシュ工法の概要および専用機の特徴を示すと共に，その導入事例について報告する。

○ 越村 聡介
平野 晃
田中 純

ヒートリフレッシュ工法の特徴を下記に示す。
1）品質の確保
加熱して掻きほぐした既設路面と新規混合物を一体化させることで，接着剤（タックコート）を使用せずに切削オーバーレイ工法と同等以上の接着強度を持った舗装路面を再生することが可能である。
図-2 に引張り強度，図-3 にせん断強度試験の結果例を示す。

図-2

引張り強度試験結果例

図-3

せん断強度試験結果例

２．ヒートリフレッシュ工法の概要
ヒートリフレッシュ工法は，パッチングや段差，
老朽化で傷んだアスファルト舗装面を簡易的に修繕する工法で，専用施工機を使用し，既設舗装路
面を加熱，深さ 10mm 程度掻きほぐし，厚さ 20 mm程度の新規アスファルト混合物を路面表層部にリペーブする薄層オーバーレイ工法である。施工イ
メージを図-1 に示す。

図-1

施工イメージ2）工期短縮接着剤散布工等の作業工程が省略され，工期の短縮及び，早期交通開放が期待できる。
3）機械編成の簡素化
切削オーバーレイ工法及び，ヒートリフレッシ
ュ工法の施工機械編成比較を図-4 に示す。専用施工機を使用することで，①既設路面の加熱，②掻
きほぐし，③アスファルトフィニッシャへの新規合材の供給を 1 台で行うことで，切削オーバーレ
イ工法と比較して，施工機械編成の簡素化できる。

- 143 -

【従来工法：切削オーバレイ工法】（②乳剤散布工）（①路面切削工）（③舗装工）【ヒートリフレッシュ工法】

図-4 機械施工編成図比較

4）施工コスト縮減
施工コストの試算結果を図-5 に示す。施工コス
トは，施工場所を関東とし，1 日のみの施工で，日施工量を 2,000m２として試算した。前述した作業
工程の短縮や機械編成の簡素化による燃料費，回送費等がコストダウンされ，施工コストは，従来の 30mm の切削オーバーレイとの比で約 30%，40mm の切削オーバーレイでは，約 45%縮減できる。

３．専用機の開発
3．1 機械概要
ヒートリフレッシュ工法の専用施工機として，従来，路上表層再生工法で使用していたチャージャーヒータ車をベースマシンとして開発を行った。
チャージャーヒータ車は，『ダンプトラックから表層用アスファルト混合物を受け，後方のアスファルトフィニッシャに供給する機能』と『路面を加熱する機能』および『加熱路面を掻きほぐす機能』の 3 つの機能を有する機械である。機械の主要諸元を表-1 に，機械全景を写真-1 に示す。
表-1

全長
全幅
全高

寸法
車両重量
施工幅員

関東地域（150km圏内の回送費込み）で試算

2,000
1,800

加熱装置

施工単価（円/ｍ２ ）

1,600

主要諸元

1,400

10,449㎜
2,480～4,000㎜
2,648㎜21,790㎏
2,480～4,000㎜

加熱方式
加熱能力
加熱燃料

赤外線輻射方式
5,986 MJ/h
LPG

1,200
1,000
800

①材料ホッパ600②表層用 AS 混合物供給装置

400
200
0
開発工法

切削オーバーレイ（3㎝）

図-5

切削オーバーレイ（4㎝）

施工コストの試算結果

5）環境負荷低減効果
当該工法では，切削機による路面切削を伴わないため，切削廃材が発生しない。また，路面切削に伴う廃材運搬車両から排出される CO2 も削減される。
CO2 排出量の試算結果を図-6 に示す。試算条件
は，幅員 3.25m，2 車線，延長 200ｍ，面積 1,300
ｍ2 で，結果は，100ｍ2 あたりの CO2 排出量とした。
当該工法の CO2 排出量は，従来の 30mm の切削オーバーレイとの比で約 20%，40mm の切削オーバ
ーレイでは，約 35%の低減効果が見込まれる。
製造時

製造材料輸送

施工

機材運搬

廃材運搬

100 m 2 あ た り の C O 2 排 出 量 （ ｋ ｇ -C O 2 )

1000
781
45

800
625
35

512
600
17
400

166

66

25

66
215

172

125
430

200

328
205

0
開発工法

切削オーバーレイ
(3cm)

図-6

CO２排出量試算結果

切削オーバーレイ(4cm)

25③路面加熱装置

写真-1④スカリファイヤ

チャージャーヒータ車全景

1) 表層用アスファルト混合物供給装置
ダンプトラックで運搬された混合物を，専用施工機の材料ホッパで受け，後方に配置したアス
ファルトフィニッシャに材料供給する。
2) 路面加熱装置
LPG 式赤外線ヒータをパネル状に配列し，最大
約 6,000MJ/h の加熱能力を有する。ヒータパネルの昇降機能及び，燃焼制御によって，最適な路面加熱を確保する。又，ヒータパネルの増設により，最大幅員 4.0ｍまで対応可能である。
3) 掻きほぐし装置（スカリファイヤ）
切削機用超硬ビットを水平方向に 50mm 等間隔で配列し，各々のビットがスプリングの反発機能によって独立して路面に作用する。スプリ
ングの反発力によって，ビットを路面に食い込ませることで，路面形状に追従して一定の掻き- 144 -

ほぐしが確保され，また，路面の既設マンホール等も，ビットが跳ねのけることで，ビットを損傷させること無く，連続的掻きほぐしが実施可能である。スカリファイヤの施工状況を写真-2 に，マンホール部の施工状況を写真-3 に示す。

写真-2

表-3
平坦性
(mm)
上り車線
下り車線

3.99
2.14

スカリファイヤ施工状況

既設舗装の路面状況
FWDによる
わだち掘れ量ひび割れ率
D0たわみ量
最大(mm)(%)
最大（μm）
23
414
20.3
14
392
1.1

写真-4

路面状況

3.2.2 施工
施工は，当該機で，路面加熱・掻きほぐしを行い，アスファルトフィニッシャにて新規アスファ
ルト混合物を 20mm 敷き均し後，マカダムローラ
及びタイヤローラにより転圧を行った。施工状況
を写真-5 に示す。

写真-3 マンホール部施工状況

3．2 施工事例
平成 23 年度から，現場にて供用を開始し，当該機による総施工面積は，約 8,000m2 である。
下記に，施工事例を紹介する。

写真-5

施工状況

3.2.3 施工結果
施工前後の路面状況を写真-6 に示す。

3.2.1 工事概要
工事概要を表-2 に示す。

施工前

表-2 工事概要
場所
施工月
規模
上層混合物
交通量区分

静岡県湖西市（国道）
平成23年6月
400㎡（幅員3.3m×延長60m×2車線）
5㎜Top改質Ⅱ型混合物（ｔ＝20㎜）
N5交通

施工後

既設舗装の路面状況を表-3 に，路面状況の一例
を写真-4 に示す。
工事対象となる路面の FWD による調査結果
は,D0 たわみ量＝max414（μｍ），わだち掘れ量＝
max23（mm）。また，ひび割れ率＝20.3（％）であった。

- 145 -

写真-6

施工前後の路面比較

表-4 に，修繕後の路面性状結果を示す。
既設舗装は，経年劣化による路面の荒れや，ひび
割れ及び，わだち掘れが発生していたが，施工後の平坦性は，σ＝1.5（mm），わだち掘れ量は，1.8（mm）に修復され，舗装体として機能復元及び，走行性の回復を図ることができた。
表-4
平坦性
(mm)
1.48
1.54

③路面加熱装置④スカリファイヤ

4．2 機械概要
新型機の開発コンセプトは，不稼働機械を流用し，開発に関わる初期投資額を抑え，機械使用料を安価とすることで施工コストに反映することを目的とした。また，路面の加熱・掻きほぐし～ア
スファルト混合物の敷均しまでの作業工程を一台の機械にオールイン化することで，施工に関わる
機械経費を低減させた。
新型機は，路上表層再生工法で使用していたリ
ミキサ車をベースマシンとして開発を実施した。
当該機は，①材料ホッパ，②材料搬送装置，③
路面加熱用ヒータ装置，④路面掻きほぐし装置（スカリファイヤ），⑤材料敷均し装置（スクリード）を備える。当該機の主要諸元を表-5 に，新型専用施工機の全景を写真-7 に示す。
表-5

主要諸元

全長

9,781㎜

全幅2,490～3,990㎜

全高2,807㎜

車両重量21,800㎏

施工幅員2,500～4,000㎜

加熱装置

加熱方式

近赤外線輻射方式

加熱能力5,567 MJ/h

加熱燃料

LPG

②材料搬送装置⑤スクリード修繕後の路面性状結果
わだち掘れ量
すべり抵抗
最大(mm)
(BPN)
1.6
62
1.9
64

４．新型専用施工機の開発
4．1 開発経緯
3 項までに記述した様に，ヒートリフレッシュ工
法は，加熱掻きほぐした既設路面に逸早く，新規
アスファルト混合物をオーバーレイすることが,新旧の材料接合性を強靭とし，品質確保の上で，重要な要素となる。特に冬季施工や寒冷地での施工に際しては，路面の加熱掻きほぐし後にタイムラグ無く，直近で新規アスファルト混合物を敷き均すことがより理想的な施工法となる。この点に着目し，初期型の専用施工機にアスファルト混合物の敷均し機能（以下,スクリード装置と記す）を装備した新型専用施工機（2 号機）の開発製作を実
施した。

寸法

①材料ホッパ

写真-7

新型専用施工機の全景

4．3 機械装置概要（特徴）1) 路面加熱用ヒータ装置
ハイカロリータイプの LPG 式赤外線ヒータ（従来比の 2 倍相当の熱量）を採用して，装置の収納スペースをコンパクト化すると共に，加熱性能を向上させた。また，火気取扱の安全確保及び，操作性向上を目的として，小型無線リモコンでの遠隔操作による自動ヒータ制御方式（自動着火・燃焼量制御）を採用した。
2) スカリファイヤ
初期型機と同様の，加圧スプリング式掻きほぐ
し装置を採用した。
3) スクリード装置
汎用のアスファルトフィニッシャで実績のある
伸縮式のタンパ・バイブレータ型スクリード（伸縮式 TV スクリード）を採用し，舗装幅員 W=2.5～4.0m の舗装が可能である。
4．4 新型専用施工機械の導入効果
新型専用施工機の現場導入効果を下記に示す。
1) 安全性の向上
新型機の導入により，『新規混合物の受入れ搬
送・路面の加熱掻きほぐし・新規混合物の敷均し』の一連作業が，1 台で完了するので，更に機械編成が簡素化され，重機同士及び，作業員との接触事
故（挟まれ）等の危険リスクが大幅に低減し，安全性の向上が期待できる。
2) 品質の確保
当該機を使用した掻きほぐし及び，敷均し状況を写真-8 に示す。路面の加熱掻きほぐし及び,材料
敷均しまでの作業工程を一元化することで，路面の加熱掻きほぐし後，車両が停止しない限り，１分間程度で材料敷均し（転圧作業を除く）が完了する。このため，温度低下を最小限に止めた状態
での材料接合が可能となり，熱放出が速い薄層舗装体であっても，既設舗装体との一体化が確保される。

- 146 -

ールもあり，舗装表層部の損傷が著しく進行している路線であった。

スカリファイヤ

写真-8

表-7

既設舗装の路面状況
わだち掘れ量平均(mm)

ひび割れ率
(%)

上り車線

平坦性
(mm/m)
2.73

6.7

45.5

下り車線

3.90

11.9

24.6

スクリード

掻きほぐし・敷均し状況

3) 機械編成の簡素化
図-7 に施工機械編成図を示す。
【1号機施工編成】

写真-9

4.5.2 施工
当該施工では，冬季施工であったことや，バス路線のため交通規制に大幅な制約があったことから，施工時間の短縮及び機械編成のコンパクト化を図るため，新型施工機を選定し，施工を実施した。施工状況を写真-10 に示す。

チャージャーヒータの機能＋
アスファルトフィニッシャの機能【２号機施工編成】

図-7

路面状況（修繕前）

機械編成図4) 更なる施工コスト縮減
施工コストは，アスファルトフィニッシャに関わる輸送費，燃料費，機械使用料が削減され，低施工コストでの工事を提供できる。
4．5 施工事例
埼玉県鴻巣市の市道において，新型機による道路修繕工事を実施した。以下に施工事例を示す。
4.5.1 工事概要
工事概要を表-6 に示す。
表-6

場所
施工月
規模
上層混合物

写真-10 施工状況写真

工事概要

4.5.3 施工結果
修繕後の舗装路面性状を表-8 に，施工後の状況を写真-11 に示す。

埼玉県鴻巣市（市道）平成25年11月
1,250㎡（幅員2.6m×延長240m×2車線）
5㎜Top改質Ⅱ型混合物（ｔ＝20㎜）

表-8

既設舗装の路面状況を表-7 に，路面状況の一例
を写真-9 に示す。平坦性は乗り心地を評価する IRI
で測定を行った。既設舗装は亀甲状ひび割れの他，度重なる部分補修（パッチング），複数のポットホ- 147 -

修繕後の路面性状結果

平坦性
(mm)

わだち掘れ量
最大(mm)

上り車線

1.68

2.6

下り車線

1.62

2.7

④ ヒートリフレッシュ工法を適用することで,低コストで，傷んだ道路の舗装機能の復元及び，走行性の回復を図ることが可能となる。また,
道路の損傷程度が軽い時期に当該工法を適用することで,高コストな大規模維持修繕工事を適用せずとも予防保全に寄与し，道路延命が期待される。
⑤ 新型施工機の開発導入により，当該工法に適用
する施工機械が省力化され，それに伴う，機械経費（使用料・回送費・燃料費等）
・運転員の人件費が削減となり，更なる施工コストの低減が期待できる。

写真-12 施工後状況

６．今後の課題
今後の課題を以下に示す。
1） 施工データの蓄積
修繕後の平坦性測定結果（IRI）σ=1.6(mm/m)，
特に新型機に関しては，導入事例が少なく，
わだち掘れ量=2.6(mm) に修繕され，舗装体として今後も積極的な現場への導入を図り，施工デー
機能復元及び，走行性の回復を図ることができた。
タの蓄積が必要である。
その後の追跡調査の結果として，現在に至るま 2） 冬期施工時の施工方法の確立
で，ひび割れ等の発生もなく健全な道路として供
冬期の施工時は，路面加熱後の著しい温度低用している。
下が予想される。施工規模やコストを勘案し，予備加熱の実施等の施工方法を検討する必要
５．まとめ
がある。
本稿では,簡易な舗装修繕工法として，ヒートリ 3） 機械の大型化による安全対策
フレッシュ工法を提言し，専用施工機の開発及び,複数の機構を装備したため，機械が大型化し現場導入並びに施工結果に至るまでを報告した。
た。そのため，死角となる部分が多く，作業の実績として得られた結果を以下にまとめる。
安全性を確保するための対策が必要である。
写真-11

路面状況（修繕後）① ヒートリフレッシュ工法の適用により，加熱して掻きほぐした既設路面と新規混合物を一体化させることで，接着剤（タックコート）を使用せずに切削オーバーレイ工法と同等以上の接着強度を持った舗装路面を再生することが可能である。また，新型機を使用した場合，路面加熱と新規混合物の敷き均しまでの間隔が短くなることで，加熱部の温度低下が減少し，更に確実な付着強度を確保することが可能となった。
② 施工コストの試算結果として，関東地域での施工 1 日を想定した工事において，従来の切削オ
ーバーレイ工（厚さ 30mm）との比較で約 30%，
切削オーバーレイ工（厚さ 40mm）では，約 45%の施工コスト縮減が期待できる。また，新型機を導入した場合では，更に 10％の施工コスト縮減が可能となる。
③ Co2 排出量の試算結果として，従来の切削オー
バーレイ工（厚さ 30mm）との比較で約 20%，
切削オーバーレイ工（厚さ 40mm）では，約 35%の低減効果が期待できる。また，新型機を導入した場合では，更に約 20％削減が可能となる。

７．おわりに傷んだアスファルト舗装を簡易に補修するヒー
トリフレッシュ工法は，廉価で CO2 排出量も少な
く，切削による廃材等の発生もない，環境に優しい工法である。
当該工法が，今後の維持修繕等，道路管理業務の一助となるよう，普及活動に努めていくと共に，今後も，地球環境へ配慮した技術・機械の開発に注力していく所存である。
参考文献
1） 紺野 路登・水野 孝浩・中塚 将志・関口 峰：簡易な- 148 -

路上再生機を用いた補修工法の開発と効果の検証，第17回舗装に関する懸賞論文，pp.50～56，2011

35．冬期路面対策における防滑材の定着性向上を目的とした加熱水混合散布手法(独)土木研究所寒地土木研究所(独)土木研究所寒地土木研究所(独)土木研究所寒地土木研究所

１．はじめに積雪寒冷地の厳寒期には，冬期道路の凍結路面対策として，すべり止め効果を期待して砂や砕石等の防滑材が散布されているが，通行車両の走行などによって，時間経過とともに走行路外へ飛散しその効果が低下する場合がある。
そこで，防滑材の路面への定着性向上を目的とした新たな散布技術として，防滑材と加熱水の混合散布（以下，「加熱水混合散布」という。）手法について検討し，この手法に対応する凍結防止剤
散布車の試作と試作機による実道での試験施工を
行った。

表-1

ノルウェーにおける加熱水混合散布の主要仕様
防滑材の粒度
加熱水の温度
加熱水の混合割合
散布量

図-1２．既往研究2.1 海外事例
防滑材の加熱水混合散布は，1997 年からノルウ
ェー公共道路庁が実施した「Winter Friction Projectin Norway」の研究成果として開発された 1)。
加熱水混合散布に対応した機械を写真-1，ノル
ウェーにおける加熱水混合散布の主要仕様を表-1に示す。この手法は，従来の焼砂を乾式散布する手法に比べ，すべり抵抗値の改善効果が高く，その散布効果は 10～20 倍持続し，防滑材の使用量が40～50%削減できる可能性があると報告された。
散布効果の概念図を図-1 に示す。
また，カナダのオンタリオ州においても加熱水
混合散布の試験が行われ，少なくとも１日は散布
効果が持続することが確認された 2)。写真-2 に加熱水混合散布に対応した機械を示す。

写真-1

ノルウェーにおける加熱水混合散布に対応した機械の一例○中村 隆一
住田 則行
切石 亮

写真-2

0～4mm
90～95℃
重量比30%
200g/m2

散布効果の概念図

カナダにおける
加熱水混合散布に対応した機械の一例

2.2 国内における既往研究
我が国における加熱水混合散布の適応性を確認するため，佐藤らは，低温実験室において氷板供試体に対する加熱水混合散布について防滑材（焼砂・7 号砕石）の定着率に関する基礎試験を行った 3)。
その結果，室温-8℃と-20℃において，加熱水の混合割合が 7 号砕石で 20%，焼砂で 40%であれば，
加熱水温度 20℃以上で定着率は 90%以上となった。
このことから，加熱水混合散布の防滑材は 7 号砕石が効率的であることを確認したが、走行車両の影響等を考慮する必要があると課題を示した。
さらに，切石らは，佐藤らの試験結果を基に，
2011～2013 年の 3 ヶ年にかけて苫小牧寒地試験道路に氷膜路面を作製して，国土交通省北海道開発局で防滑材として主に使用されている写真-3 の 7号砕石を用いた加熱水混合散布試験を行った 4)，5)。

- 149 -

試験は，すべり抵抗値と散布効果の持続性を他の散布手法と比較検証するため，図-2 に示すような無散布（散布なし）
・乾式散布（7 号砕石のみ）・
湿式散布（7 号砕石＋CaCl2 水溶液）
・加熱水混合散布（7 号砕石＋加熱水）の 4 種類の散布手法に加え，加熱水混合散布は，加熱水温度が 20℃・40℃・60℃及び混合割合が 20%・30%の条件を設定して行った。写真-4 のように凍結防止剤散布車により上述の条件で散布施工後，一般交通を模擬した車両を走行させ，散布前・散布直後・車両 50 台走行
後～300 台走行後まで 50 台走行毎に，写真-5 の連
続路面すべり抵抗値測定装置 6)を用いてすべり抵
抗値を計測した。写真-6 に散布施工直後の路面の一例を示す。

写真-5連続路面すべり抵抗値測定装置

20mm
写真-3

7 号砕石

写真-6

氷膜路面における加熱水混合散布施工路面の一例

防滑材

乾式散布
氷膜

散布対策

塩化水溶液 湿らせて
付着

湿式散布

無散布

加熱水

舗装

凍結して
固着

飛散を抑えて、効果の持続・散布量の削減を期待加熱水混合散布

図-2

防滑材散布の概念図

図-3

測定輪の概念図

HFN（ Halliday Friction Number ）→ 装置の開発者が設定した値

乾燥した舗装路面（ 路面温度 -17.8℃）

すべり抵抗値（HFN）

140

乾燥路面（標準舗装）（路温 －17.8℃）

120

すべり難い

乾燥路面（標準舗装）（路温 0℃）

100

90
80

HFN

60

緑

45

雪氷路面
（圧雪・凍結）40

断続的な路面
（新雪・シャーベット）

20

写真-4

HFN ＝ 100

出典：Halliday Technologies Inc.

すべり易い

黄

赤

測定輪が空転0

凍結防止剤散布車による散布状況

720

630

540

450

360

270

180

90

0

HFN ＝ 0

（横力無負荷状態）

測定輪に掛かる横力（Ｆ）[N]

連続路面すべり抵抗値測定装置とは，車両後部に取り付けた測定輪に，図-3 に示すように車両進行方向に対して 1～2°程度の角度を与え，測定輪が回転する際に発生する横力から，すべり抵抗値を測定する装置である。すべり抵抗値は，装置の開発者が独自に設定した HFN 値（Halliday Friction
Number，0～100 の範囲）で表され，すべり難いほど高い値を示す。HFN 値と路面状態の関係は，図-4に示すように 0～44 は雪氷路面，45～59 は断続的な雪氷路面，60～100 は乾燥舗装路面に概ね対応する。

図-4

すべり抵抗値と横力

すべり抵抗値を計測した結果，加熱水温度 20℃
では，走行車両のタイヤ摩擦や走行風などの影響
により防滑材が飛散し，散布効果が低下したことから当該手法による効果は得られなかった。加熱
水温度 40℃以上では，防滑材の定着性が高い状態で維持できることを確認したが，加熱水温度が40℃と 60℃では各計測毎の HFN の平均値は-1.2～
4.9 であり，明確な差は確認できなかった。また，
加熱水の混合割合は，20%より 30%の方が各計測- 150 -

毎の HFN の平均値が 5.2～9.6 高いすべり抵抗値を維持し，効果の差が現れた。氷膜路面におけるすべり抵抗値の検証結果の一例を図-5 に示す。

加熱水混合散布後の水循環回路の凍結対策は，水溶液タンクから散布円盤までの散布回路及び熱交換器間の予熱循環回路の水抜き後，それらの回路に凍結を防止するための水溶液を循環させることで完了できる。

写真-7
図-5

試作した加熱水混合散布に対応した機械

氷膜路面におけるすべり抵抗値検証の一例（2013/01/17：加熱水混合散布，加熱水 40℃，混合割合 20%）

３．加熱水混合散布に対応する凍結防止剤散布車の試作
我が国において市販されている凍結防止剤散布
車には水溶液を加熱する機構は装備されていないため，加熱水を作製する機構を検討した。
新たな機械を開発することは，購入費が高額となり，導入に向けて支障となることから，市販の凍結防止剤散布車を改造する方法を採用した。改造の基本条件は，車検取得等の各種法令，法規を準拠した設計とし，加熱水温度は散布直前の散布円盤において 40℃以上とした。
試作機は，国土交通省北海道開発局で多く使用されている機種に製作した加熱機構を車載した。
試作機の外観を写真-7，水溶液散布の系統図を図-6に示す。
加熱機構は，直列系統の加熱機器 2 台に熱交換器 1 台を介して，水溶液タンク内の水を循環させて加熱する予熱方式とし，制御部を含めてシステム化した。水循環回路は，加熱機器と熱交換器間は不凍液を，水溶液タンクと熱交換器間は水を循環させ，熱交換器で冷却された不凍液は再び加熱
機器へ，熱交換器で加熱された水は水溶液タンク
へ循環し，水溶液タンク内の水を加熱する。
また，不凍液の循環時の排熱を利用して，凍結しやすい水溶液ポンプ，ストレーナを含む水循環
回路を凍結から保護するため，それらを覆う保温カバーを設けた。
なお，加熱機器の電源は，試作機の車両には電気容量の余裕がなかったため，可搬型の発電機から確保した。そのため，加熱水の作製は，車両走
行前の条件となり，試験施工中の温度低下を見越した加熱水温度の設定が必要であった。

図-6

試作機の水溶液散布の系統図

４．実道での試験施工
平成 26 年 2 月 5 日，北海道樺戸郡新十津川町の一般国道 451 号で加熱水混合散布と湿式散布，無散布路面のすべり抵抗値を比較し，散布効果を検証する試験施工を行った。天候は晴れ，路面はほぼ圧雪状態，交通量は 10 台/h 程度だった。写真-8のように試作機により加熱水混合散布した防滑材の路面上での状態は，写真-9 に示すように加熱水が防滑材を覆うように凍結し固着していた。すべ
り抵抗値は，連続路面すべり抵抗値測定装置で測定した。
すべり抵抗値の測定結果の一例を図-7 に示す。
この区間では，加熱水混合散布を 4:45 頃，湿式散
布を 5:30 頃実施した。散布効果は，散布前（3 時台），散布後（6 時台，8 時台，10 時台）の計 4 回検証した。その結果，加熱水混合散布は，現行の湿式散布と比較して，散布直後のすべり抵抗値及びその持続性に向上が見られた。
また，試験施工中における試作機の水循環回路の主要部の温度を測定した。その結果，外気温- 151 -

-20℃～0℃程度の条件では，図-8 に示すとおり， ５．まとめと今後の課題
実道の雪氷路面における加熱水混合散布の試験
散布円盤の加熱水温度は，いずれも散布開始から数秒で水溶液タンク内の温度に推移した。なお， 施工では，湿式散布に比べ同等以上のすべり抵抗
試作機は加熱機器を停止しないと走行できないが， 値を示したが，試験道路に作製した氷膜路面で得その場合，水溶液タンク内の温度が１時間当たり られたような明確なすべり抵抗値の向上は確認できなかった。しかし，実道でのすべり抵抗値は，110℃～20℃程度低下することを確認した。
日分しか取得できていないため，今後は実道の試
験施工データを多く取得し，加熱水混合散布の効果を検証していきたい。
また，加熱水混合散布に対応する機械として，現行の凍結防止剤散布車の改造により試作機を製作し，試験施工を通して実用の目処が付いた。
加熱水混合散布による防滑材の定着性向上には，
加熱水温度と混合割合が重要な要素であるが，その改造コストが高額になると，導入が難しくなる
ため，加熱機構の検討と厳寒地における適切な加熱水の温度や混合割合等の検討を並行して行い，
写真-8 試作機による散布状況
最適な加熱水混合散布手法の確立を目指したい。
さらに，加熱水混合散布と湿式散布の工事費の比較，機械の改造費等の試算を行い，道路管理者
へ新たな散布手法の提案をしていきたい。
最後に本試験にあたり，試験フィールドの提供
等にご協力頂いた国土交通省北海道開発局の担当者に，ここに記して謝意を表します。
写真-9 雪氷路面における加熱水混合散布施工路面の一例
参考文献
1) Torgeir Vaa：Implementation of New Sanding Method in
Norway，Sixth International Symposium on Snow Removal
and Ice Control Technology，TRB Electronic Circular 63，

75 パーセンタイル

pp.473～486，2004

中央値
25 パーセンタイル

2) Max Perchanok・Liping Fu・Feng Feng・Taimur Usman・

外れ値

Heather McClintock・Jim Young・Kevin Fleming：Sustainable

極値

Winter Sanding with Pre-wetting，2010 Annual Conferenceof the Transportation Association of Canada，2010
3) 佐藤圭洋・秋元清寿・宮本修司・徳永ロベルト：防滑材の飛散対策に関する基礎的研究，寒地土木研究所月報，
図-7

No.675，pp.35～41，2009

雪氷路面におけるすべり抵抗値検証の一例（2014/02/05：加熱水混合散布，加熱水 40℃，混合割合 20%）4) 切石亮・大日向昭彦・徳永ロベルト・高橋尚人・中村隆
一：冬期路面管理における防滑材の定着性向上に関する研究，北海道の雪氷，No.30，pp.51～54，2011

加熱水温度（タンク内上部）

加熱水温度（タンク内中央）

加熱水温度（散布円盤）

5) 切石亮・川端優一・徳永ロベルト・高橋尚人・中村隆一
90

加熱水
混合散布

80

加熱水
混合散布

加熱水
混合散布

加熱水
混合散布

70

：効果的・効率的な防滑材の加熱水混合散布手法に関す

湿式散布へ
の切替作業

る研究，北海道の雪氷，No.32，pp.88～91，2013

温度［℃］

60

6) 舟橋誠・徳永ロベルト・浅野基樹：連続路面すべり抵抗

5040値測定装置（RT3）の導入について，寒地土木研究所月

30

凍結防止剤
水溶液温度

20
10

報，No.651，pp.40～47，2007

00:00:00
0:02:00
0:04:00
0:06:00
0:08:00
0:10:00
0:12:00
0:14:00
0:16:00
0:18:00
0:20:00
0:22:00
0:24:00
0:26:00
0:28:00
0:30:00
0:32:00
0:34:00
0:36:00
0:38:00
0:40:00
0:42:00
0:44:00
0:46:00
0:48:00
0:50:00
0:52:00
0:54:00
0:56:00
0:58:00
1:00:00
1:02:00
1:04:00
1:06:00
1:08:00
1:10:00-10

経過時間 ［h:mm:ss］

図-8

試作機の水溶液経路における加熱水温度の一例- 152 -

36．積雪寒冷地の冬期歩道における雪氷路面処理技術について（独）土木研究所寒地土木研究所（独）土木研究所寒地土木研究所（独）土木研究所寒地土木研究所

１．はじめに積雪寒冷地の冬期歩道路面(写真-1)では，積雪や路面の凍結により歩行者転倒事故が多発しており，特に高齢者が除雪の不十分な歩道を避けて車道を歩くことによる交通事故の危険性や，冬期の外出を控えがちになる等の問題も発生している．
特にバリアフリーの観点からも高齢者・移動制
約者等に対して歩道空間を改善する路面管理手法
及び対策が求められている．
歩道のすべりやすい雪氷路面（つるつる路面）対策として，すべり止め材が使用されているが，散布効果が定量的に把握された例は少なく，また，
大量の散布は，春先の堆積土処理量増加の要因に
もなる．

写真-1

○ 三浦 豪牧野 正敏
井谷 雅司

め効果における装置の有効性を明らかにした．
この粗面形成装置は，雪氷路面の表面に粗面を形成することが可能であるが，形成された粗面は降雪や融解等により長時間のすべり止め効果の持続が困難である．
そこで，寒地土木研究所では，冬期歩道の雪氷路
面処理方法として機械的処理に着目し，構造が単純で特別な動力を必要とせず，雪氷破砕により，すべり止め効果の持続が期待できる装置を試作して，冬期歩道部における当該技術の適応性について試験を行った．
３．雪氷路面処理装置の概要
雪氷路面処理装置(以下，「装置」という)は北海
道の歩道除雪で使用している小形除雪車に装着し(写真-2)，歩道部に形成された雪氷路面を破砕処理するもので，破砕部と排雪部で構成される(図-1)．
装置は平成 23 年度から試験を行い，これまで 2度の改良を行っている．
なお，装置の寸法は作業幅を考慮し，小形除雪車の全幅に近い 1.52m とした．

歩道に形成されたすべりやすい雪氷路面

２．冬期歩道の雪氷路面処理技術の検討
道路利用者が安全に安心して歩ける快適な歩行空間を確保するため，冬期の雪氷路面対策については様々な取り組みが行われている．
佐藤，工藤 1)は小形除雪車に粗面形成装置（レーキタイプ）を取り付け，歩道で調査を実施した．その結果，粗面形成装置で雪氷路面に溝を付けて，すべり抵抗を増加させることで，雪氷路面のすべり止

写真-2 装置の全景(小形除雪車装着)

3.1 破砕部
先端を斜めに切断した丸鋼をドラム状の回転体の表面に装着し，装置の自重(約 1,300kg)により路- 153 -

面に押し付け，車両の走行により自然回転させることで雪氷路面の破砕を行う(写真-3)．
破砕部を回転させるための油圧等の動力が不要であることが特徴である．
3.2 排雪部
破砕部によって発生した破砕雪氷片を歩行路面の左右に排除する(写真-4)．
当初は車両の後部へ装着していたが，過年度の試験で，破砕部近傍での排雪作業が，不陸追従性や機械の操向性の向上に効果があることを確認したため，排雪部を破砕部近傍に装着し，リンク機構で路
写真-4 雪氷路面処理装置の排雪部面への追従を可能とした．なお，押し付けは排雪部の自重により行う．
また，不陸追従性を維持しつつ，排雪施工により ４．調査試験
装置の能力や特性，及び現場適応性について把握発生する破砕雪氷片を左右へ流すため，進行方向に対して推進角 90°の高さ 80mm の網状の鋼板と中心 するため，現道歩道及び作製した雪氷路面で試験をから左右に各 74°の推進角を付けたブレードを組 行った．
み合わせた．
網状の鋼板は線圧を大きくして施工後の路面に 4.1 現道歩道施工試験
傷をつけ，すべり止め効果を高める目的で装着した． 北海道開発局札幌開発建設部札幌道路事務所管
轄の国道 274 号 (札幌市厚別区上野幌) の歩道で試験を行った(写真-5)．
試験では気温，路面温度，雪氷の密度及び硬度の排雪部計測を行い，装置の施工性，路面追従性，路面処理能力及び施工後の路面状況を確認した．
破砕部
また，すべり止め対策効果の差異を検証するた
め，装置及び３種類のすべり止め対策条件(無対策，塩化ナトリウム，砕石：最大粒径 2.5～5.0mm)による被験者の主観評価を行った．
散布量は道路管理者による実際の散布量を参考に，砕石(30，60，100g/m2)，塩化ナトリウム(10，20，30g/m2)とし，靴の違いによる影響を排除するために同一の靴(写真-6)を装着した健常者 20 名
(男女)が歩行を行った．また、高齢者による歩行図-1 雪氷路面処理装置の全体図を再現するための高齢者疑似ツールを使用した歩行も行った。
なお，試験路面の基礎データを表-1 に示す．

写真-3 雪氷路面処理装置の破砕部
写真-5- 154 -

現道歩道の施工状況

写真-6

試験に使用した靴表-1 現道歩道路面基礎データ
試験月日

雪氷路面
気温平均 路温平均(℃)(℃)
硬度(kg/cm2) 密度(kg/m3)

厚さ(mm)

路面
状態

装置 歩行
試験 試験

2月6日

-13.7

-14.3

20.6～157.7

540～730

75～97

圧雪

○

○

2月12日

-10.0

-10.0

24.9～124.6

600～69064～133

圧雪○-装置施工用雪氷路面については，氷板(密度750kg/m3 以上，硬度 90～300kg/cm2)2)を目標に作製した(写真-7)．
雪氷路面施工試験についても現道歩道施工試験と同様に気温，路面温度，雪氷の密度及び硬度の計測を行い，装置の施工性，路面追従性，路面処理能力及び施工後の路面状況を確認した．
また，被験者による主観評価についても，現道
歩道施工試験と同様の方法で行った(写真-9)．
なお，試験路面の基礎データを表-2 に示す．

写真-7

作製した装置施工用雪氷路面(氷板)

歩きやすさ

歩道部無対策（圧雪）

すべりにくさ総合評価

30 g/㎡
60 g/㎡
100 g/㎡

写真-8

10 g/㎡

雪氷路面での施工状況

20 g/㎡

・

30 g/㎡
雪氷路⾯処理装置

・NaCl散布

砕石散布

・試験の結果，現道歩道での雪氷破砕が可能であり，排雪部についても自重により破砕部とは独立して可動することで不陸路面に追従し，破砕雪氷
片の取りこぼしもほとんどなく排雪できることを確認した．
また，破砕雪氷片を推進角のついたブレードで左右に排雪することで，施工時の負荷が少なく，施工中の車両運転に支障がないことをオペレータ
からの聞き取り調査で確認した．
被験者による主観評価は，乾燥路面を 10 点とした場合の「歩きやすさ」「すべりにくさ」「総合評価」として実施した．
結果，すべり止め材(砕石，塩化ナトリウム)の散
布量が増すごとに評価値が増加する傾向であり(図-2)，高齢者疑似についても数値の差はあるが、同様の結果であった。また、装置施工後の路面凹凸により「すべりにくさ」に対し高い評価が得られた．

交差点部無対策0

歩きにくい

すべりやすい
悪い

図-2

5

歩きやすい

10

すべりにくい

評価値［乾燥路⾯を10とした場合] 良い

各種対策の評価値

4.2 雪氷路面施工試験
寒地土木研究所構内に装置施工用雪氷路面(35m×2m)及び横断勾配 2%(道路構造令に準拠)，縦断勾配 0%，5%の被験者用雪氷路面(10m×1m)を作製し，試験を行った．

- 155 -

写真-9

高齢模擬者による勾配部の歩行状況

路面
状態

装置 歩行
試験 試験

2月20日

-5.6

-5.7

41.6～82.5

600～750

128～153

圧雪

○

-

2月21日

-4.4

-0.6

65.8～186.7

590～760

117～143

圧雪

○

-

2月24日

-3.3

-3.7

59.1～167.5

650～87087～140

圧雪
～氷板

○

-

2月25日

1.4

-0.1

70.8～156.5

620～960129～163

圧雪

○

○

2月28日

-2.0

-1.4

55.8～196.7

670～840

126～167

圧雪○-

120～165

圧雪
～氷板

○

-

3月4日

-4.0

-2.9

133.0～270.1

490～830

試験の結果，現道歩道と同様，装置による雪氷破砕及び排雪が可能であった。しかし，平均雪氷
硬度が 200kg/cm2 程度以上の硬い氷板の場合は，1回の施工では表面のすべりやすい平面部が残ることがわかり，合計 4 回の施工を行った結果，すべりにくい路面状態にするには 2 回以上の施工が必要であることを確認した(写真-10,11)．

・

厚さ(mm)

30 g/㎡

100 g/㎡
10 g/㎡
20 g/㎡
30 g/㎡
雪氷路⾯処理装置
05

悪い

すべりにくさ30 g/㎡

砕石散布

・

歩きやすさ

対策なし（アイスバーン）

総合評価

60 g/㎡
100 g/㎡

NaCl散布10 g/㎡
20 g/㎡
30 g/㎡
雪氷路⾯処理装置
すべりやすい05

図-4

被験者の高齢者疑似による主観評価について，
縦断勾配の違いによる歩行実験の結果を図-3，横断勾配 2%(平坦部)の結果を図-4 に示す．
縦断勾配 0%，5%では，高齢者疑似においては，歩行に関する差異はみられなかった．
また，横断勾配 2%(平坦部)では，砕石散布および塩化ナトリウム散布により，評価値は改善し，散布量が増すほど，評価値が大きくなる傾向であ

歩きやすい
すべりにくい10

評価値［乾燥路⾯を10とした場合］良い

悪い

施工前と施工後の雪氷路面

10

縦断勾配の違いと評価値の関係

歩きにくい

写真-11

良い

評価値：総合評価［乾燥路⾯を10とした場合］

・残ったすべりやすい平面部(1 回施工)

高齢者（勾配5%）60 g/㎡

図-3

写真-10

高齢者（勾配0%）対策なし（アイスバーン）

砕石散布

雪氷路面
気温平均 路温平均(℃)(℃)
硬度(kg/cm2) 密度(kg/m3)

る．また，雪氷路面処理装置についても評価値がすべり止め材と同程度に改善することがわかった．
このことより，雪氷路面処理装置による処理の有効性を確認した．ただし，これらの評価値は対策直後のものであり，長期的な効果の持続性についてはさらなる検証が必要と考える．

NaCl散布

試験月日

試験コース路面基礎データ・

表-2

各種対策の評価値(高齢者疑似)

５．まとめ
本装置の施工により，破砕部が歩道部に形成された雪氷路面を破砕処理し，排雪部で破砕雪氷片を除去できるが，硬い氷板路面においては複数回の施工が必要であることを確認した．
また，被験者の主観評価により，砕石や塩化ナ
トリウムと同等もしくはそれ以上の対策効果が得られることがわかった．
今後，雪氷の硬度や厚さなど路面状態の違いによる必要性能の検証，及び効果の持続性の検証などを行っていく予定である．
参考文献
1) 佐藤健一・工藤秀一：凍結路面対策用粗面形成装置の開発，北海道開発局建設機械工作所機械技術管理業務報告書，pp182～184，1997
2) (社)日本建設機械課協会・(社)雪センター：2004:2005 除- 156 -

雪・防雪ハンドブック(防雪編)，pp.33，2004

37．解析を援用した弾性波法による接着系あと施工アンカー
固着部の接着剤充填状況の非破壊評価手法

立命館大学
大阪大学大学院
西日本高速道路株式会社

○ 内田
鎌田
宮田

慎哉
敏郎
弘和

必ずしも一致しないケースもあり，測定対象物ご
１．はじめにコンクリート構造物の維持管理においては，構 とに試行錯誤で評価する場合が少なくない。
このような背景から，著者らは，コンクリート
造物の状態を適確に把握し，現状を踏まえた上で劣化予測を行い，適切な対策を講じることが重要 構造物の内部欠陥を効率よく適確に評価するため，である。構造物の現状把握のための点検では，コ 対象構造物での計測を実施する前に弾性波動シミ
ンクリートの品質，コンクリート内部のひび割れ ュレーションを行い，コンクリート中での弾性波の状況や空隙あるいは内部鉄筋の損傷の状態など， の伝搬挙動を把握した上で，予め，対象とする構
構造物表面からの目視では把握が困難なコンクリ 造物および内部欠陥に応じた「評価に適した弾性ートの内部欠陥を，非破壊で評価する手法の確立 波の入力や受信の条件（計測条件）を決定」，「評が求められている。コンクリートの非破壊評価手 価パラメータを選定」および「検出性能（適用範
法のうち，弾性波を利用した方法（弾性波法）は， 囲）」を把握した後に計測に移行する形の「解析をコンクリート中での波の減衰が小さいため，特に 援用した弾性波法（図-1 参照）」に関する研究に着実構造物での調査において活躍が期待されている。 手し始めている 1)。
しかしながら，実際の現場においては，測定対象
そこで本研究では，上記アイディアの有効性を物の条件（形状・材質等）が様々であるため，非 検証するためのファーストステップとして，接着破壊評価結果と削孔などにより調査した実態とは 系あと施工アンカーにおける接着剤の充填状況を
評価対象
RC 床版

PC 橋梁

RC はり・柱部材

内部欠陥（PC グラウト未充填）

内部欠陥（水平ひび割れ）内部欠陥（鉄筋破断）解析による弾性波動シミュレーション

計測条件

検出性能
図-1

解析を援用した弾性波法の概要- 157 -

評価パラメータ対象として，弾性波法（電磁パルス法）により定
量的に非破壊でこれを評価するための「計測条件」
および「評価パラメータ」を，衝撃応答解析により決定した。また，解析で得られた結果の妥当性を検証するため，あと施工アンカーを模擬したコンクリート供試体に対して接着剤の充填状況の電磁パルス法による非破壊評価を試みた。
２．電磁パルス法の概要 2)
電磁パルス法の概要を図-2 に示す。電磁パルス
法では，電磁鋼板（鉄心）にマグネットワイヤを巻き付けた励磁コイルにパルス状の電流を流すことによりコイル周辺に瞬間的に磁界を発生させ，これにより生じる電磁力により，コンクリート内部に存在する鉄筋，あるいはアンカーボルトなどの磁性体を非接触で振動させる。この方法では，対象部材の表面に設置した振動センサにて磁性体の振動にともなう弾性波を捉え，これを波形分析することにより，強磁性体界面の欠陥や付着状態
を非破壊で評価することができる。
３．衝撃応答解析による計測条件および評価パラ
メータの決定3.1 解析概要
図-3 に解析モデルを示す。モデルはトンネルの天井板を固定する接着系あと施工アンカーを想定
し，縦 500mm×横 500mm×高さ 200mm のコンクリート直方体に，直径 16mm，長さ 250mm のアン
カーボルトを模擬した鋼棒をコンクリート表面から 130mm の深さとなるまで埋め込んだ。コンクリ
ートとアンカーボルトとの間には，接着剤の有無を模擬するための媒介層を設けた。解析モデルにおける各構成材料の物性値を表-1 に示す。各構成
材料の要素は，いずれも 8 節点 6 面体ソリッドとし，要素の代表長さは約 10mm とした。境界条件
としては，コンクリート部分の全側面（500mm×200mm の面を 4 面）は無反射条件とした。一方，プレートとボルトとは非接触とし，プ
レートはコンクリート表面に固定した。電磁パルス法による弾性波入力には，図-3 (a)に示すように，ボルト軸方向に荷重を与える場合およびボル
ト軸直角方向の場合の 2 ケースを設定した。いずれのケースも，波形出力位置は，図-3 (b)に示す
コンクリート表面の 1 節点とした。接着剤の充填状況の違いが弾性波挙動に与える影響を把握するために，媒介層（長さ 130mm）をボルト長さ方向に 13 等分して接着剤の有無を模擬した。媒介層全要素に接着剤の物性値を設定したものを「健全度レベル 13」とし，アンカーボルト最下部の要素のみを接着剤，それ以外を空気として設定したものを「健全度レベル 1」とした（図-4 参照）。さらに

励磁コイル
定電圧定電流発生装置

波形収集装置センサ

弾性波

コンクリート磁性体

図-2

電磁パルス法の概要
荷重：軸方向荷重：軸直角方向

アンカーボルト

500mm

500mm

200mm

コンクリート（a） 全体図
100mm
出力点

100mm

130mm
媒介層
(b) 拡大図
図-3

解析モデルの概要

表-1

解析モデルの物性値

弾性係数

密度

(GPa)

(g/cm3)

コンクリート

30

2.3

0.2

プレート

200

7.9

0.3

ボルト

200

7.9

0.3

接着剤

2

1.2

0.4

空気

1.6E-20

2.2E-132.0E-20

物質- 158 -

ポアソン比

……
接着剤

空隙

(a) 健全度レベル 1(b) 健全度
健全度レベル 13
図-4 健全度レベルの一例

E   y i ······································(1)2i 0

ここで，E：波形エネルギー(mm2/s2)，yi：速度波形における各振幅(mm/s)，n：振幅の数（n=1000：
0～1000μs）である。図-7 に波形エネルギーと健全度レベルとの関係を示す。図に示す波形エネルギ
ー比とは，健全度レベル 13 で算出した値に対する各健全度レベルでの値の比である。図より，健全度レベルが大きくなるにしたがって，波形エネル
ギーが増加していく傾向が見られる。
(2) ボルト軸直角方向入力
ボルト軸直角方向入力における波形エネルギーと健全度レベルとの関係を図-8 に示す。健全度レ
ベルと波形エネルギーとの間に相関関係は確認できない。このような傾向になった理由としては，
波の入力方向と伝搬方向とが異なっているため，弾性波が伝搬する際に干渉し，複雑な形態となって各媒質中を伝搬したことが挙げられる。
４．解析により決定した手法の妥当性の検証
4.1 実験概要
図-9 に供試体の概要を示す。コンクリート部分の寸法は，縦 1000mm×横 1000mm×厚さ 350mmとした。コンクリート部分には，まず，直径 24mm，
深さ 130mm の穴を開けた。続いて，孔内に長さ240mm のアンカーボルト（M16，SS400 相当材）
をコンクリート表面から 110mm 突出するように設

Z-Velocity(mm/s)

Z-Velocity(mm/s)

1

0

-1

0

-1

0

0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001
Time(s)0(a) 健全度レベル 1
図-50.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001
Time(s)(b) 健全度レベル 13

ボルト軸方向入力によりコンクリートで出力した速度波形の一例
アンカーボルト
ナット
プレート

空隙

接着剤
コンクリート(a) 健全度レベル 1
図-6(b) 健全度レベル 13

弾性伝搬挙動のイメージ

1.0
波形エネルギー比

n

1

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
健全度レベル
図-7ボルト軸方向入力により算出した波形エネルギー

1.0
波形エネルギー比

接着剤の充填状況にバリエーションを持たせるため，ボルト長さ方向に接着剤要素を段階的に増やし，健全度レベルを全 13 段階に設定した。
3.2 解析結果および考察(1) ボルト軸方向入力
図-5 に解析により得られた速度波形の一例として，ボルト軸方向に弾性波を入力した場合の健全度レベル 1 およびレベル 13 をそれぞれ示す。健全度レベル 13 では，波形の振幅が健全度レベル 1 よりも明らかに大きいことがわかる。健全度レベル
13 では，アンカーボルト上端で入力した弾性波がボルトの深さ方向に伝搬し，これがコンクリート
部分に到達すると，接着剤を介してコンクリート
部分にも伝搬することになる（図-6 (b)参照）。一
方，健全度レベル 1 では，媒介層では接着剤よりも空隙が占める割合が大きいため，コンクリート
部へ伝搬する弾性波の成分が少なくなる（図-6 (a)参照）。これにより，コンクリートで出力した波形に差異が生じたものと考察できる。
速度波形の振幅の大きさを定量的に表現するため，波形における各振幅を 2 乗した後これを総和したものを「波形エネルギー」と定義し，次式により算出することとした。

- 159 -

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
健全度レベル
図-8ボルト軸直角方向入力により算出した波形エネルギー

250

250

350

1000

500
250

(a) 平面図
図-9

100%
図-10

75%
50%
接着剤の充填パターン

25%

アンカーボルト

固定台
ナット
プレート
AE センサ

写真-1
0.10

0.05

0.05

0

(b) 側面図
供試体概要

励磁コイル

0.10

-0.05

電磁パルス法による測定状況

0

-0.05

-0.10

-0.10
0.00250.0050 0.0075
Time(s)(a) 充填率 100％0.0100

-0.15
0

0.15

0.15

0.10

0.10

0.05

0.05

Voltage(V)Voltage(V)

250

110
130

0.15

0

0.00250.0050 0.0075
Time(s)(b) 充填率 75％

0.01000.00250.0100

0

-0.05

-0.05

-0.10

-0.10
-0.15
0

500

プレート t =9mm
ナット
アンカーボルト

0.15

-0.15
0

単位：mm
アンカーボルト M16
コンクリート fc =24N/mm2

1000

Voltage(V)Voltage(V)

置した後，接着剤（エポキシ樹脂）を流し込むことでボルトを固定した。接着材の充填パターンを
図-10 に示す。本研究では，接着材の充填率として4 水準（25，50，75，100%）を設けた。ここでいう充填率とは，孔内の全高（削孔深さ）130mm に対する硬化後の接着剤高さの百分率である。具体
的には，例えば充填率が 25%のパターンでは孔内の底から高さ 32.5mm となるまで接着剤を注入している。以上の方法により，接着剤の充填率が異なるアンカーボルトを供試体 1 体に対して 4 本設置した（図-9 参照）。なお，コンクリートの設計基
準強度は fc=24N/mm2 とし，供試体内部にはアンカーボルト以外の強磁性体（鉄筋）を設置していない。いずれのアンカーボルトにおいても 100mm×100mm×厚さ 9mm の鋼製プレートを設置し，ナッ
ト 2 個によりプレートを固定できるようにした。
写真-1 に計測概要を示す。励磁コイルは外径35mm，内径 31mm の円筒形状となっており，コイル中央の空心部にアンカーボルトを貫通させ，コ
イル上端とボルト上端が一致するように設置した。
このリング形状の励磁コイルに瞬間的に大電流（約 3200A）を流し，動磁場を発生させることによりアンカーボルトを振動させた。ボルトの振動に伴って生じた弾性波は，ボルト中心から 100mm
離れたコンクリート表面に貼り付けた振動センサ
により受信した（写真-1 参照）。センサで受信した信号は，サンプリング周波数 2MHz でデジタル化
した後，波形収集装置で記録した。記録した波形に対して，波形エネルギー（振幅の 2 乗総和）を0.00250.0050 0.0075
Time(s)(c) 充填率 50％

図-110.0100-0.15
00.0050 0.0075
Time(s)(d) 充填率 25％

受信波形の一例（ナットが緩んだ状態）- 160 -

波形エネルギー比

波形エネルギ―比1.0算出した。使用した振動センサは，15kHz～100kHzの間に応答感度を有し，特に 25kHz～80kHz の間
0.8では感度特性が比較的フラットなものである。
0.6
計測においては，いずれの充填率のパターンにおいても，測定回数を 10 回とし，評価パラメータの0.4
ばらつきを把握することとした。また，いずれの0.2
充填率においても，ボルトの基本的な振動特性を把握するためにナットとプレートを設置しない場
0
0
20
40
60
80
100
合と，両者を設置した上でトルクレンチにより充填率（％）
80N･m でボルトを締め付けた場合の 2 ケースを設
図-12 波形エネルギー（ナットが定した。
緩んだ状態）
4.2 実験結果および考察
1.0(1) ナットが緩んだ状態での測定結果◇解析●実験
図-11に，ナットが緩んだ状態で測定を行った場
0.8
合における接着剤の各充填率で得られた受信波形
0.6の一例をそれぞれ示す。この図より，波形の振幅
が接着剤の充填率によって異なることが確認でき，
0.4
充填率が小さくなるに従って波形の最大振幅値が0.2小さくなる傾向を示した。このような傾向は，解析結果と一致している（図-5参照）。
0
0
25
50
75
100
図-12 に，ナットが緩んだ状態で測定を行った場
充填率（％）
合の波形エネルギーと接着剤の充填率との関係を
図-13 波形エネルギー（ナットを 80N･m で示す。図に示す波形エネルギー比は，接着剤の充締め付けた状態）
填率 100％で算出した値に対する各充填率での値
アンカーボルトプレートの比である。また，いずれの充填率においても，測定値の平均，最大，最小の範囲を同図に示してナットいる。この図より，充填率が大きくなると波形エ
受信点
ネルギーも大きくなる傾向がみられた。これは図-6 に示すように，空隙部分の大きさの変化に伴い
空隙
弾性波がアンカーボルトからコンクリート中へ伝接着剤搬する際の減衰に差異が生じたためと考えられる。
(2) ナットで締め付けた状態での測定結果
コンクリート図-13 に，ナットで締め付けた状態で計測した場
図-14 弾性波伝搬経路のイメージ
合における波形エネルギーと接着剤の充填率との関係を示す。充填率の増加に伴い，波形エネルギ
永久磁石
ーが大きくなることが確認できる。しかしながら，充填率 75%と 100%の波形エネルギー比は大小が逆転しており，充填率が高い場合には波形エネル
ギーから充填率の違いを判別することは困難であることがわかった。これは，ナットで締め付ける
ことによってプレートとコンクリートが接する面の圧力が大きくなることから，ボルトを伝搬する
弾性波がプレートからコンクリート表層へと伝搬しやすくなることに起因すると考えられる（図-14参照）。
写真-2 永久磁石を併用した電磁パルス発生状況
上記の考察を踏まえ，コンクリートに埋め込ま
ジム磁石（永久磁石）を設置し静磁場を付与した
れたアンカーボルト部分に振幅の大きな弾性波を伝搬させることが充填状況の評価のためには重要状態で励磁コイルにより動磁場を発生させて，ボであると考えられることから，与える磁場の強さ
ルト内部に弾性波を伝搬させる方法である。測定をより大きくする工夫をした上で計測を行うこと
状況を写真-2に示す。なお，この測定条件についとした。具体的には，アンカーボルト頭部にネオては，永久磁石を用いることを除けば，4.1と全て- 161 -

1.5

1.0

1.0

0.5

0.5

Voltage(V)Voltage(V)

1.5

0
-0.5

-1.0

-1.0
-1.5
0

0

-0.5

0.00250.0050Time(s)0.0075-1.5
00.0100

1.5

1.0

1.0

0.5
0

-0.5

0.00750.0100

0.5
0

-0.5

-1.0
-1.5
0

0.0050Time(s)(b) 充填率 75％

1.5

Voltage(V)Voltage(V)(a) 充填率 100％

0.0025-1.0
0.00250.0050Time(s)0.0075-1.5
00.01000.00250.0050Time(s)0.00750.0100(c) 充填率 50％(d) 充填率 25％
図-15 受信波形の一例（締め付けあり，永久磁石を併用）

1.0
◇解析
●実験

波形エネルギー比

剤の充填率との間に相関があり，これにより充填程度を評価できることがわかった。
0.6(3) ボルトがナットにより締め付けられた状態においては，充填状況の違いを明確に把握する
0.4
ことが困難であった。
0.2(4) しかしながら，永久磁石（静磁場）を併用した磁場の強さを高める方法を用いれば，波形
0
0
25
50
75
100
エネルギーからアンカーボルト固着部の充填充填率（％）
率の違いを的確に評価できる可能性があるこ
図-16 波形エネルギー（締め付けあり，とを明らかにした。
永久磁石併用）上記(1)から(4)の結果：
同じである。得られた受信波形の一例を図-15に示 (5) 「解析を援用した弾性波法」は，接着系あと施工アンカーにおける接着剤の充填状況を評す。この図より，いずれの充填率の場合において価する上で，有効な手法であることが明らか
も図-11に示す波形よりも10倍程度大きな振幅がとなった。
得られていることがわかる。また，この測定方法
謝辞
により得られた波形エネルギー比を図-16に示す。
本研究の一部は，日本学術振興会科学研究費補ナットで締め付けた状態においても，充填状況に応じて波形エネルギーが一定の割合で大きくなる 助金（基盤研究（B）25289132）の援助を受けて行なったものである。ここに記して謝意を表する。
ことが明らかとなった。
0.8

５．まとめ
本研究で得られた結論を以下に示す。
衝撃応答解析の結果：(1) ボルト軸方向に弾性波を入力し，ボルト近傍のコンクリート表面において受信される弾性波の波形エネルギーに着目することで，接着系あと施工アンカー固着部の接着剤の充填状
況を評価できることが明らかとなった。
解析結果に基づき，供試体を対象とした電磁パルス法による測定を行った結果：(2) ボルトにプレートが設置され，ナットが緩んだ状態では，受信した波形エネルギーと接着

参考文献
1) S. Uchida, T. Kamada, T. Iwasaki and H. Tsunoda:
Non-Destructive Evaluation for Horizontal Cracks in RC
Slabs of Highway Bridges Based on Analysis-Aided Impact
Elastic-Wave Methods, Nondestructive Testing of Materials
and Structures, pp.827-834, 2013.
2) K. Munakata, T. Kamada, S. Uchida, H. Mae and H.

- 162 -

Minezawa: Nondestructive Evaluation of Deterioration
around Rebar Based on Elastic Waves Generated byElectromagnetic Force, Proceedings of the 7th International
Symposium on Non Destructive Testing in Civil Engineering,
NDTCE’09, pp.107-112, 2009.

38．河川ポンプ設備における状態監視技術に関する研究（潤滑油分析による診断）(独)土木研究所○ 上野 仁士藤野 健一
山尾昭

油分析による排水機場ポンプ設備の状態監視保全
１．はじめに排水機場などの河川ポンプ設備は、洪水被害防 技術の検討結果について報告する。
止を目的とした極めて重要な社会基盤施設であり、豪雨や異常出水時には確実に稼働することが要求 ２．潤滑油による設備診断技術
常用系の設備診断では、潤滑油分析のほか、振される。
動法、音響、温度によるものがある。そのなかでそのためには設備の万全な整備が不可欠であり、管理者は、定期的に整備する「時間計画保全」と も潤滑油分析は、図-1 に示すように異常の早期発いう考え方で維持管理をしている場合が多い。こ 見に有効であるとされている。
の手法は、日常的な点検で内部の詳細な劣化状況を把握することが困難な、大型かつ重要な主ポン
プ設備や駆動設備（主原動機、減速機）では、確実な整備が行えるという点でメリットが大きいが、内部劣化の有無によらずに定期的に整備を行うため、経済性で不利な場合がある。
河川用ポンプ設備においては、今後１０年で約４０％が設置後５０年超となり、老朽化の進行による故障頻度上昇の懸念がある反面、整備予算は年々削減されている現状にあり、この相反する状況下でいかに効率的で的確な設備維持管理を行うかが課題となっている。
民間工場等の常用系設備では、設備状態の監視により劣化兆候を確認・診断し、それにより整備
図-1 摩耗進行曲線と診断技術 2)
時期を判断する「状態監視保全」という考え方を導入するケースがあり、これにより保全費用の潤滑油による診断技術は、混入している摩耗粉５％削減を可能とした例もある 1)。
の状態から設備の状態を把握するもので、SOAP
したがって、河川ポンプ設備の維持管理におい 法とフェログラフィ法がある。
ても状態監視保全を導入することはきわめて有効
SOAP 法は、元素毎に発光スペクトルが異なると考えられるが、高い信頼性が求められる待機系 ことを利用した分析法である。高周波誘導コイル
設備の状態監視技術は民間ではニーズは低く技術 による電場によりプラズマ化したアルゴンガス中が確立していない。
に、霧状に噴霧された試料（この場合は分析用によって、河川ポンプ設備の維持管理に適した状 処理をした潤滑油）が熱エネルギーを受けて発光態監視保全（劣化予測）技術を確立し、不測の重 するので、それを分光分析することによって試料大故障を回避し、無駄のない予防保全の実現を図 内に含有される金属元素成分とその濃度を測定しる必要がある。
て摩耗損傷個所を推定する方法である。概念図をそこで独立行政法人土木研究所では、平成 22 年 図-2 に、摩耗損傷が想定される機器の材質、元素
度より、排水機場ポンプ設備の原動機に関しては を表-1 に示す。
潤滑油分析、主ポンプについては振動法、減速機
この手法は 10μm 以下の小摩耗粒子の測定に適については両方式の併用による状態監視保全技術 しており、ppm 単位での検出が可能であることかの確立について検討を重ねてきた。本稿では潤滑 ら極めて早い段階からの摩耗状態を検知できるが、- 163 -

大摩耗粒子に対しては、それを発光させるほどのエネルギーを与えることは困難なので不向きとされている。

図-2 SOAP 法

概念図

図-3 定量フェログラフィ

概念図

図-4 分析フェログラフィ

概念図

表-1 各部品と材料・成分

フェログラフィ法は、金属摩耗分が含まれた潤滑油を、磁石を下に敷いたスライドガラス上または沈着チューブ内に流し、油中の摩耗粉を捕捉分離することで摩耗分を分析する方法で、分析フェ
ログラフィと定量フェログラフィがある。それぞれの概念図を図-3,4 に、分析フェログラフィで見られる摩耗粉と主な発生原因を表-2 に示す。
定量フェログラフィは、沈着チューブ内に残留した大粒子（5μm 以上）と小粒子（2μm 以下）の各濃度を調べ、摩耗過酷度指数を算出すること
により機械の診断を行う。
分析フェログラフィは、スライドガラスに定着した潤滑油中の粒子を顕微鏡で観察し、その色や形状により、機械設備の内部摩耗状態を診断する。
この技法は SOAP 法とは逆に、磁力による摩耗
粉補足と目視が主体なので大摩耗粒子の分析に適している。

３．SOAP 法、フェログラフィ法の適用性 3)
排水機場ポンプ設備は、駆動用動力源としてディーゼルエンジンまたはガスタービンエンジンが使用されている。また、ポンプへの動力伝達には、ポンプ形式が立軸の場合は直交軸歯車を、横軸の場合は遊星歯車もしくは平行軸歯車を用いた減速機が用いられている。排水機場ポンプ設備の、潤滑油分析による診断は、これらを対象に行う。横軸ポンプを写真-1 に、立軸ポンプを写真-2 に示す。

- 164 -

表-2 代表的な摩耗粒子

写真-2 立軸ポンプ

潤滑油による設備診断技術については前述の通りであるが、排水機場は、平時は停止しており潤滑油が機械内を循環していないため、これらの手法で的確に診断できるかについては未知数であり、ここが大きな課題となっている。
そこで、排水機場機械設備でも常用機械設備と同様に、これらの手法で設備内部の摩耗傾向が把握可能かどうかの調査を行った。
なお、潤滑油サンプリングは、排水機場の運転中または潤滑油が設備内を十分に循環した運転の停止直後が望ましいが、天候に左右される実排水運転は定期性がないため、設備の機能維持や異常の発見、運転操作員の習熟度向上を目的としておおむね月１回、ポンプ１台当たり３０分程度行っている管理運転時に行うこととした。
3.1 同一仕様原動機での比較（SOAP 法）
SOAP 法については、同一排水機場・同一仕様
で、直近の分解整備年次のみ異なるディーゼル原
動機２台（整備後 4 年経過の１号ポンプと 14 年未整備状態の３号ポンプ）について比較を行った。
その結果、図-5 に示すように、鉄や銅のような摩耗すると増大する成分は、より長期にわたり継続使用している３号機の方が多く検出されている
事が確認され、排水機場ポンプ設備でも、含有元素の変化を見て設備状態を予測する事が可能であることが示されている。

写真-1 横軸ポンプ

図-5 SOAP 法の比較

- 165 -

3.2 同一仕様原動機での比較（フェログラフィ
法）3)
定量フェログラフィでも、同一機場、同一仕様のディーゼル原動機２台を同時に分解整備した際の部品の摩耗量と摩耗過酷度指数の比較を行った
ところ、表-3 に示すように、部品の摩耗量が大きいと推測できる原動機では、摩耗過酷度指数も高くなり、摩耗兆候は捉えることが可能と確認できた。
表-3 定量フェログラフィ

これらの原動機の潤滑油分析結果を図-6,7、写真-5,6 に示す。

結果比較

図-6 SOAP 法による比較

分析フェログラフィについても、実際にスライドガラスを確認したところ、特徴的な摩耗粉を捉えることが可能であることが確認された。前述の
表-2 に示した写真は、実際の排水機場ポンプ設備の原動機、減速機で見られた摩耗粉である。
3.3 実際の劣化設備と分析結果の比較
以上より、排水機場ポンプ設備においても、常用設備と同様に特徴的な傾向が把握可能であることが確認された。
そこで今度は、実際の分析結果が設備状態を的確に反映しているかの確認を行った。
写真-3,4 に示すのは、それぞれ分解した別個の原動機のクランクピンメタルで、写真-3 の H 排水機場のものはケルメット層まで露出するほど摩耗しており、写真-4 の N 排水機場のものはほとんど摩耗していない。

写真-3 H 排水機場原動機

写真-3 N 排水機場原動機

図-7 定量フェログラフィ法による比較

写真-5 H 排水機場

分析フェログラフィ

写真-6 N 排水機場

分析フェログラフィクランクピンメタル

クランクピンメタル- 166 -

数値で示される SOAP 法、定量フェログラフィ
法では、摩耗劣化が進行しているＨ排水機場の方が明らかに大きな数字が示されている。
また、分析フェログラフィでは、やはりＨ排水機場の方が摩耗粉量が多く、ホワイトメタルなども目立っている。
このことから、潤滑油分析による設備の摩耗劣化程度の診断も十分可能であると考える。

このような結果となったのは、分析者毎に有する知見等により分析・診断手法が異なるためと考えられる。分析者にとって各分析手法は設備診断をするためのツールでしかなく、そのツールによって示された数値を独自の知見と技術を用いて診断をする。そのツール自身も、それぞれの技術に適したものが用いられている。重要なのは診断結果であって、ツール個々の比較は意味をなさない。
したがって、異なる分析業者間の分析結果を横４．傾向管理手法の検討
断した傾向管理は、困難と言わざるを得ない。
4.1 複数分析者間の分析結果比較
4.2 鉄粉濃度計の活用
状態監視保全においては、定期的に分析し、そこのような結果となったが、前述したとおり、の数値の変化傾向を確認する「傾向管理」が不可
実際の設備維持管理には傾向管理が不可欠である。
欠である。傾向管理の実施には、結果のばらつき
そこで、一般の設備で傾向管理に用いられていの要因を可能な限り排除するため、可能な限り同る鉄粉濃度計の活用が、排水機場ポンプ設備でも一の条件による分析が求められる。
活用可能か否かを試みた。
潤滑油分析は専門業者に依頼することになるが、鉄粉濃度計は電磁誘導法を利用したもので、鉄河川管理者である国や地方自治体では契約制度上、分を含んだ潤滑油を励磁コイルに挿入することに同一の分析者で継続して実施することは難しい。
より変化する磁気抵抗率を検出することで鉄分濃
そこで、同一潤滑油サンプルを、複数の分析者
度を測定するものである。10ppm 程度の測定誤差
で分析・設備診断結果を比較した。
があるため、１度の測定値による診断ではなく、その結果、設備診断結果（設備状態の良否）は傾向管理に用いることが望ましいとされている。
同一の傾向を示すが、分析技術個々の結果、特にこれは、管理者自らが用意し計測することがで
SOAP 法や定量フェログラフィ法など数値で示さきるので、有用であれば傾向管理に大いに役立つれる分析結果については分析者毎に数値が異なっものと考える。
ている。ある原動機における、SOAP 法での比較
鉄粉濃度計での実際の計測結果であるが、ディ
例を図-8 に、定量フェログラフィの例を図-9 に示
ーゼルエンジンならびに減速機の潤滑油中の鉄粉す。
濃度と SOAP 法での鉄濃度との関係を、それぞれ
図-10,11 に示す（いずれも横軸はサンプル番号であり、すべて異なる設備である）。

図-8 SOAP 法の分析者毎の比較

図-10 SOAP 法と鉄粉濃度計結果比較（原動機）

図-11 SOAP 法と鉄粉濃度計結果比較（減速機）

図-9 定量フェログラフィの分析者毎の比較

原動機では、一部に例外があるが、おおむね、- 167 -

SOAP 法で高い数値のものは鉄粉濃度も高めに出る傾向にある。
減速機は、SOAP 法の結果に対して鉄粉濃度計の変動が激しい。しかし鉄粉濃度計の計測結果は誤差範囲である 10ppm 以内に集中しているので、このデータをもって一概に相関がないとは言い難い。したがって、このレベルでは誤差の影響で傾向管理は困難ではあるが、原動機での結果を考慮すると、著しい摩耗が発生した場合にはその早期発見が期待できるものと考える。
また、先述したＨ排水機場とＮ排水機場での鉄粉濃度計計測結果を図-12 に示す。

図-12 Ｈ排水機場とＮ排水機場

鉄粉濃度計結果比較

ここでも、摩耗進行しているＨ排水機場の方が大きな数値を示していることが確認された。
以上より、厳密性に欠けるが、傾向管理として
鉄粉濃度計活用は有用と思われる。今後、同一設備の継続的な傾向ならびに減速機での異常兆候発
生事例を調査し、さらなる適用性を確認したい。
５．サンプリング時の運転時間について 3)
分析用潤滑油のサンプリングは管理運転時に行う、と先述したが、分析結果はサンプリング前の運転時間に影響される可能性がある。そこで、１台の原動機について、運転方法や運転時間を変えてサンプリングし、鉄粉濃度、SOAP 法による分析を行った。その結果を図-12 に示す。なお、原動機は運転各日の 17 時～翌 8 時の間は停止している。

傾向にある事が示されており、ここでも鉄粉濃度計の有用性が示されていると考える。
運転１日目では、運転 0.5 時間と 2.5 時間の差はあまり無いが、２日目の運転 8 時間の結果が前日の運転 2.5 時間より低くなっている。
同じ運転 0.5 時間でも、１日目と３日目では結果は異なる（ただし鉄粉濃度は誤差範囲）。
これらから、分析結果は直近の運転状態により左右されるのではないかと思われる。
また、３日目の運転 2.2 時間の結果が著しく高い。これは、直近で短時間に７回の起動停止の断続運転としたので、それが分析結果に影響したのではないかと考えられる。
この調査に用いた原動機はこの直後に分解し内部状態を確認したが、ほとんど摩耗劣化していなかったため、残念ながらどのような運転条件下でのサンプリングが設備状態をより反映しているのかは不明であるが、少なくとも、傾向管理のためには可能な限り同一条件での管理運転後にサンプリングすることと、管理運転の直近に運転があった場合は結果に影響が出る可能性があることに注意する、ということが言えると考える。
６．まとめ「非」常用系である排水機場ポンプ設備においても、常用設備と同様に、潤滑油分析による状態
監視保全技術による設備劣化傾向の把握が可能であることが、これまでの調査で示された。
しかし現段階では、時間計画保全により設備の劣化兆候が現れる前に整備が行われているため、本技術による設備の異常兆候の把握を実際に行った事例に乏しく、今後は状態監視技術の適応性向上のため、より多くの事例の調査を行い、診断精度向上を図る予定である。
このように、排水機場ポンプ設備の状態監視保全技術は現段階では発展途上の技術であるが、今後の排水機場ポンプ設備の効果的、効率的な維持管理に貢献しうる技術となりうるものと確信するものである。
参考文献
1) 振動技術研究会：ISO基準に基づく機械設備の状態監視と診断（振動カテゴリーⅡ）第2.3版

2) 社団法人日本トライボロジー学会：ISO18436-4準拠
ライボロジーに基づくメンテナンス
3) 藤野健一・山尾カテゴリⅠ昭・上野仁士：排水機場設備の状態監

視保全技術，月刊潤滑経済，pp.40～43, 2014 年 6 月号
図-12 SOAP 法と鉄粉濃度計結果比較（運転方法毎）

ここでは、鉄粉濃度と SOAP 法の大小は同一の- 168 -トϩ ᱾ᴫ㞟Ⅱ－１ ポスターセッション要旨
１．音響探査法を用いたコンクリート構造物の検査
佐藤工業㈱技術研究所 ○歌川紀之
桐蔭横浜大学 上地 樹、杉本恒美
が、従来は高所作業車や足場の上から実施されてい１．はじめに音響探査法は、叩き点検と同じたわみ共振現象をたのが、路面上から実施できることになる。そのたもちいて遠距離非接触でも叩き点検と同等な点検

め、点検者の危険かつ苦渋作業がなくなり、また、を可能にする技術である。以下に本手法の探査原理

点検者の経験による判定も、客観性のある判定になについて、図-1 を用い説明する。

り、探査精度も向上することになる。

① ハンマーで叩く（点加振・衝撃波）代わりに、

本ポスタ―セッションでは、昨年度に実施した、LRAD（Long Range Acoustic Device）というスピ音響探査法を橋梁の RC 床版下面に適用した事例やーカーで、コンクリート面に音圧（面加振・ト

ボックスカルバートの天井部や壁部に適用した事

ーンバースト波）を与え、振動を発生させる。

例を示す。これらの結果については、文献 1)に示さ② 浮きやはく離が生じている位置では、コンクリ

れているので、本概要では、はく離試験体に適用しート表面と浮きの間が薄い板となっているためた結果を打音法や電磁波法で探査した結果と比較に、たわみ振動が発生し、一方、健全部では、した事例を示す。

厚さがある板のため、たわみ振動は発生しにく２．はく離試験体への音響探査法の適用い。

実構造物のはく離では、生じたはく離面が、再度③ 叩き点検では、そのたわみ振動により発生する

接触しているケースも考えられ、間隙幅が非常に小音を耳で聞くことにより、欠陥部であることをさいことが予想される。そこで、円柱試験体を割裂認識する。一方、音響探査法では、励起したた

させ、その割裂面にモルタルが入らないように加工

わ み 振 動 を SLDV(Scanning Laser Doppler

し、それを壁型試験体に埋設させる方法で、はく離

Vibrometer)というレーザドプラ振動計で、面的を模擬した試験体を作成した。また、比較のため、な面外の振動速度を測定・分析することにより25mm 厚の発泡スチロールを同じ壁型試験体に埋設認識する。

させる方法で空洞を模擬した試験体を作成した。こSLDV laser head

Vibration Source(LRAD)①③

こでは平面規模 100mm×200mm、はく離位置（空洞AmplifierFunction
Generator
Trigger Signal

LASER天端深さ）25mm の音響探査法による探査結果を示す。振動エネルギー比を用いた結果を図-2(a)に示す。
測定は欠陥を含む、150mm×350mm の領域を 50mm
間隔で測定した。どちらも振動エネルギー比が大きい箇所で、たわみ振動が大きくなっており、音響探

Flexural Vibration
Concrete

Cavity or Crack②

査法でははく離および空洞箇所ともに探査可能であることが分かった。
３．他の手法との比較
同じ試験体を用い、打音法および電磁波法による

図-1 音響探査法のセットアップ図

探査を行った。

1)

手法の詳細については、文献 に示す。本手法に打音法では、筆者らが開発した振幅値比からコン

より、トンネル天端の覆工コンクリートの叩き点検

クリート厚さを評価する方法 2)を用い、音響探査法- 169 -

(a)はく離試験体

(dB)

空洞試験体

（深さ 25mm、間隙幅 0mm）

(b)

(dB)

（深さ 25mm、空洞幅 25mm）

(mm)

(mm)

(c)

図-2 各種手法の結果 (a)音響探査法（振動エネルギー比）、(b)打音法（厚さ評価）、 (c)電磁波法（反射強度）

４．まとめと同じ領域、間隔で測定を行った。厚さ評価結果をはく離（間隙幅が小さい）については、音響探査

図-2(b)に示す。欠陥位置で、厚さが小さいなってお法を含め弾性波法では、加力により振動が生じるたり、欠陥があることが分かる。ただし、周辺境界のめ、探査は可能であるが、電磁波法では、狭い間隔

拘束やはく離面での拘束の影響で、実際の厚さを認識させることが難しいことが分かった。一方、(25mm)にはなっていない。空洞試験体についても同空洞（間隙幅が大きい）については、３つの方法で様である。

探査できることが分かった。

電磁波法については、10cm 深さまでの反射波の参考文献

強さの分布で表した。用いたレーダーは、日本無線

1) 杉本恒美,歌川紀之,片倉景義:コンクリート構造物非破壊検査

社製ハンディサーチ NJJ-105 で、三次元可視化ツーのための遠距離非接触音響探査法,平成26年度建設施工と建ルを用い、平面的な表示を行った。
測定間隔は 50mm

設機械シンポジウム論文集, 2014.

で、縦方向８測線、横方向 4 測線の測定を行った。

2) 伴 享，歌川紀之，市野大輔，北川真也，森濱和正：打音法の図-2(c)から、空洞については探査可能であるが、RC構造物への適用について，佐藤工業技術研究所報，No.30，

はく離面（間隔 0mm）の探査が難しいことが分か

2004

った。

- 170 -

２．橋梁点検における機械施工の効率化の提案
危険作業の軽減と点検時間の短縮で現場作業革新する
高性能遠隔橋梁点検車「橋竜」
株式会社

カナモト

○友野

洋平

澤

幸男

若山

昌信

株式会社 帝国設計事務所

この為、これまで難しかった定点での経年変化の１．はじめに観測や補修工事後の確認など、様々な調査に活用

今後のインフラ整備の中で維持管理の上で橋出来ます。
（写真‐１）

梁点検作業を行う場合に橋梁や橋梁下面等に添架された構造物の点検作業が見込まれる中で効率化が求められている。従来は、足場工設置やバケットタイプの橋梁点検車を使用し目視点検にて行われているが、次の様な課題がある。
① 点検に掛るコストが高く費用対効果が見えにくく定期点検の実施が難しい。
② 橋桁細部の目視点検と時間や安全性への配慮等課題があります。
本報告は、これらの課題を解決する新しい技（写真－1）術であり維持管理の分野においても今後、電子データとしての活用の促進する高性能遠隔３．高性能遠隔橋梁点検車「橋竜」の効果

橋梁点検車を提案するものです。

（安全）・運転席より多関節伸縮アームを遠隔操作にて操２．高性能遠隔橋梁点検車「橋竜」

作することが出来る為、人が直接橋梁下部等へ

高性能遠隔橋梁点検「橋竜」は、人の代わりにアーム先端の点検用カメラが点検を行い橋梁上入ることがなく転落災害等を未然に防ぐことが可能である。
（写真‐2）

部から遠隔操作で橋梁下部をＴＶモニターで目視確認しながら点検が出来る為、従来のアーム先
端に人が乗るタイプの橋梁点検車に比べ安全でさらにアームが多関節に伸縮可能で狭い箇所に潜り混むことが出来る。また、カメラにて撮影したデータは、運転席内で３Ｄ化した橋梁点検箇所をリアルタイムに確認することが出来る。
さらに、点検データに関しては、電子データとし記録し次回以降、同じ位置で点検が可能になる。

- 171 -

（写真－2）

（品質）４．使用上のポイント

点検時にその場で電子データとして管理するこ遠隔操作で安全性が高い点検が可能であり点検とで点検後の事務所内作業の損傷図作成と写真

調査位置や画像点検情報の電子化が可能となる

帳票が半自動化される為、電子データとして報告

ことで橋梁点検における経年劣化の追跡調査や書作成の包括管理が可能となる。
（写真－3）

橋梁下部の添架管等の調査では、管理者データベースとの関連づけによりデータの有効利用が継続的に可能になる。
５．★特許取得とＮＥＴＩＳ登録達成★
2006 年 06 月に特許申請を取得。また、通常の点検作業に比べ点検の為のツールがすべて車両に搭載されており施工中もデータの管理についても常時可能であり台帳作成が容易であり点検作
業ニーズへの提案として開発しトラス橋等の複雑な構造の橋梁に対しても使用可能な高性能遠隔橋梁点検車として 2009 年 08 月にＮＥＴIＳ登（写真－3）

録も完了。
（作業効率）

特許登録番号

第 5002756 号

本システムでは、３次元ＣＧ描画システム等がＮＥＴＩＳ登録番号

ＨＫ‐090007-Ａ

搭載されており、アーム操作や点検支援が可能で現地点検作業時間短縮が可能。また、点検写真位

6．おわりに置は、その場で電子化されており、事務所内での今後の橋梁等のインフラ整備に対する建設業

写真整理や損傷図作成支援ソフトとリンクさせ界の技術上の課題は、多種多様な多くの橋梁へのることで作業時間短縮も可能である。
（写真－4）

対応、点検内容構造への対応、環境条件に対する配慮等が考えられる。しかし、本点検装置の更なる改良を行い、適合性の高い橋梁点検ツールとしての活用を図る必要があると考えられる。
また、電子データ化出来る情報を活かし情報化施工などの IＣＴ技術やＣＩＭ等の連携についても検討を行い使い分けることで点検業務の安全や品質・効率化がさらに進むものと考えられる。

（写真－４）- 172 -

３．クレーン仕様バックホウの安全対策
バックホウ横転事故の撲滅
株式会社アクティオ

稲葉誠一

株式会社アクティオ ○今関政美

はじめに都市部などの狭い場所で施工する道路工事や管工事

本製品の特長では、クレーン付きトラックやラフタークレーンなど

クレーン仕様バックホウにてクレーンモードにせずの揚重機が進入・設置出来ないことが多い。バックホ

掘削モードの状況で格納されているクレーンフックをウのバケットに溶接したフックを使用した吊荷作業は取り出すと、クレーンフックに装着されたセンサーが重大災害に繋がるため、用途外使用として禁止されて検知して、赤色回転灯が点灯し周囲に異常を知らせるいる。近年では掘削作業と吊荷作業を 1 台で行うこととともに、音声によりオペレータに警告を発する。

が可能なクレーン仕様のバックホウが主流となっており、広く活用されている。

この時点で掘削モードからクレーンモードに入れれば赤色回転灯が消え、音声による警告も終了し、安全な吊荷作業が行える。

現状の問題点
クレーン仕様バックホウは掘削モードとクレーンモードを適時切り替えて使用するものである。しかし、吊荷作業の際にクレーンモードへの切り替えを忘れた
り、あるいは作業スピードを重視するがあまり、掘削
モードのまま吊荷作業を行い、重機が横転するなどの重大災害に繋がるケースが少なくない。狭い場所での施工において横転事故が発生すると、重機オペレータ
が投げ出され、周辺作業員を巻き込むだけでなく、近隣の住宅や歩行者・通行車両までも巻き込んだ大災害
クレーンフックを取出す。

に繋がる可能性がある。

クレーンフックを格納せずに掘削作業を行うと、フックがバケットに干渉しフックの破損に繋がるが、この装置によりフックの破損防止及び固定ピンの紛失防止に寄与する。

クレーンモードにスイッチを押し忘れ。

- 173 -

バックしないバックホウ
バックホウは後退時（死角方向へ走行した時）に作業員との接触事故が発生する。この事故を防ぐためにバックしないバックホウを既に開発している。
この機械は、死角方向へ走行レバーを操作しても一切走行しないものであり、旋回し視界が確保されれば走行可能となるバックホウである。

標準姿勢時

不安全なクレーン作業開始後

逆姿勢時

設定時間に動作停止

そのまま警告を無視し、掘削モードで吊荷作業を続けると、停止を予告する音声が流れ続け、事前に設定した時間が経過すると動作を停止する。
クレーンモードスイッチを押せば、安全な吊荷作業を再開することが可能となる。

標準姿勢時は操作レバーを 前に倒すと動く
操作レバーを 手前に引いても動かない（バックしない）

逆姿勢時は操作レバーを 手前に引くと動く
操作レバーを 前に倒しても動かない（バックしない）融合機
上記のバックしないバックホウに安全クレーン装置

安全なクレーン作業を装着した融合機は、更に安全なバックホウへと進化
し、施工会社様の評価を得ている。

今後も建設現場が安全に作業出来るようなシステムを開発していく所存である。

- 174 -

４．狭隘地での施工を可能とした液状化対策工法の紹介
砂圧入式静的締固め工法：ＳＡＶＥ－ＳＰ工法
株式会社不動テトラ○ 深田 久１．はじめに1964 年の新潟地震において液状化現象が認識されて以来、地震が発生する度に、各地で液状化の被害が確認されている。今後予想される東南海地震や南海地
震及び首都圏直下型地震等に備えるために、海岸堤防
や河川堤防・港湾施設等の既設構造物の耐震化や補強が必要とされている。
既設構造物の液状化対策を実施する場合には、狭隘地にて施工可能な工法が必要とされている。近年、このような狭隘な施工条件下の液状化対策として、小型の施工機械により施工可能な薬液注入工法や圧入式静的締固め工法が採用されることが増加している。
こうしたニーズに応えるために、砂をポンプで圧送可能な状態として地盤に圧入する、新しいタイプの砂
圧入式静的締固め工法（以下、ＳＡＶＥ－ＳＰ工法と略す）を開発したので、この概要を紹介する。
２．ＳＡＶＥ－ＳＰ工法の概要
ＳＡＶＥ－ＳＰ工法は、材料となる砂を専用プラン
トにて流動化剤と混練し、ポンプ圧送可能な状態とし、超小型施工機のロッドを通じて地盤中に圧入すること
図－１ 施工システム 全景

で、周囲の地盤を締固める工法である。圧入された砂は、排出時の脱水および添加された遅効性塑性化剤の作用で流動性を消失し、最終的に良好な地盤を形成す③無振動・低騒音
振動式サンドコンパクションパイル（ＳＣＰ）のよる。ＳＡＶＥ－ＳＰ工法の特長を以下に示す。

うにバイブロハンマを使用しないので、静かに地盤を①超小型施工機を使用
超小型施工機械で施工するため、狭隘地や桟橋上での施工が可能である。また、移動が容易なので空港な

締固めることが可能である。
④優れた経済性
従来の狭隘地や既設構造物直下の液状化対策に比べどでの緊急退避にも対応できる。

て、非常に経済的である。

②既設構造物直下への適用が可能
斜め施工や硬質障害物層等への貫入に対応できる。

⑤環境負荷低減工法
超小型施工機や自然材料（砂）を使用することで、既設の舗装・岸壁や埋設物に対してφ150mm 程度の小さな孔だけで施工できるので、修復も容易である。

環境に優しく地盤になじみやすい工法である。

- 175 -

３．システム構成
ＳＡＶＥ－ＳＰ工法のシステム構成を図－１・２に
示す。

バックホウ

⑨バックホウ

流動化砂圧送ポンプ
圧送距離最大約100m⑤流動化砂圧送ポンプ

殊ロッド

材料砂

小型施工機

流動化砂製造プラント

図－２ ＳＡＶＥ－ＳＰ工法の施工システム

① ②③

④

図－３ 施工手順⑤

図－４ 掘起しの状態

４．施工手順ＳＡＶＥ－ＳＰ工法の施工手順を以下に示す。
①ロッド貫入②流動化砂の製造と圧送専用プラントで砂を流動化剤、遅効性塑性化剤、水と混練し、流動化された砂をポンプで圧送する。

密な地盤

緩い地盤

③流動化砂の排出・圧入
φ70cm 程度の流動化砂をロッド先端から排出・圧入

圧入時
流動化砂は脱水

流動化剤の凝集
通常の砂に変化

し、周囲の地盤を締固める。圧入と同時に流動化砂は脱水され締まった砂になる。

図－５ 流動化砂の状態の変化④ロッドの引き上げ⑤所定深度までこのステップを繰返し、対象地盤を締固める。
掘り起こしの状態を図－４に示す。また、流動化砂の状態の変化を図－５に示す。
５．改良効果ＳＡＶＥ－ＳＰ工法の改良効果の一例を図－６に示す。現場は徳島県の海岸堤防であり、改良後のＮ値が増加していることが確認されている。

図－６ 改良効果の一例- 176 -

５．既設戸建住宅に適用可能な高圧噴射攪拌工法の開発
楕円状コラムの築造を可能とする Miny マルチ工法
前田建設工業株式会社 〇川西敦士

１．工法概要前田建設工業株式会社

山内崇寛

株式会社ミヤマ工業

宮 朗(2)楕円状コラムの改良形状

Miny マルチ工法は，硬化材スラリーを超高圧（30～経済的かつ効果的な格子状地中壁工法を構築するた

40MPa）かつ高速（約 300m/s）で噴射し，噴流エネル

め，独自開発のロッド回転制御の採用により，図 2 にギーを利用して原地盤を切削し，原地盤と硬化材スラ示す新しい楕円状コラム改良体の築造を可能とした．

リーを攪拌混合することで改良体を造成するスラリー(3)品質の安定的な供給が可能

系噴射攪拌式深層混合処理工法（高圧噴射攪拌工法）

品質の安定的な供給を行うため，専用のリアルタイである．既設戸建住宅の敷地境界地で施工が可能で，ム管理装置を開発し，品質に影響を与える重要な造成

独自開発のロッド回転制御による楕円状コラムにより， 仕様をリアルタイムで一元管理できることを可能とし液状化対策工法の 1 つである格子状地中壁工法の合理た．また，独自開発のリアルタイム品質確認方法（出的な築造を可能とした工法である．

来形・強度）を施工管理に取り入れ，品質の安定的な2.工法の特徴

供給を実現した．

(1)既設戸建住宅地の敷地境界の狭隘地に対応

3.技術の効果

専用の超小型専用マシン（W60cm×D75cm×H163cm、

図 3 に□-13m×13m の有効壁厚 85cm 以上，最小壁

重量 400kg）を開発し，施工幅 1m×施工高 2m 程度の厚 60cm 以上の格子状地中壁に対し，従来の高圧噴射

空間で施工を可能とした（図 1）．

攪拌工法（直径 1.5m の円柱状改良を想定）との対比を示す。楕円状コラムでは施工本数を 60%削減でき，改良体積を 20%削減することで，大幅な工期短縮とコ

1630

ストダウンを期待できる。
4.今後の予定
性能確認試験として 5 現場の実験した．今後は，工法の信頼性を確保するため，建築系審査証明（日本建
600

750

正面図

側面図

築センター）の取得を予定している．

図 1 超小型施工機械

他工法（高圧噴射）

Minyマルチ工法

13000

13000

50坪程度
1格子当たり：16本（3.6-1.2m楕円）

造成本数：60%減
造成体積：20%減

図 2 楕円状コラムの形状

図 3 従来工法との対比- 177 -

13000

50坪程度
1格子当たり：40本（φ1.5m）

13000

1500

1200

3600

６．油圧ショベル双腕仕様機による災害対応
日立建機(株)江川 栄治

日立建機(株)○小俣 貴之13 トン級 ASTACO NEO

はじめに
油圧ショベルはもともと掘削機として発展してきた

解体・スクラップ処理現場への適用を目的に(独)新が、その汎用性、信頼性が高く評価され、多くの用途

エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託を受に使われている。双腕仕様機は、油圧ショベルの複雑け開発した 13 トン級双腕仕様機である。(写真 2)な作業への対応能力をさらに向上させる手段として、

重量物把持やコンクリート破砕など大出力作業を行人間と同様に二つの腕を持たせることに着目し、開発

う主腕と、対象物を支える、細かなものを引き剥がすしたものである。

など補助作業を行う副腕とを組み合わせた構成となっ本稿では双腕仕様機について、各機種の特徴と災害ている。

対応事例を紹介する。
7 トン級 ASTACO
7 トン級油圧ショベルをベースに、「一人で二つの腕を同時に動かす」機能を追及して開発した双腕仕様機である。(写真 1)
レバーの動きと作業フロントの動きが概略一致する
直感的な操作レバーで、右手で右フロントを、左手で左フロントを各々操作可能である。
また、三次元的にフロント姿勢を演算することで、

写真 2. 13 トン級双腕仕様機 ASTACO NEO

フロント同士の接触を回避する干渉防止機能を備えて
いる。

本機は、
建物解体やスクラップ処理現場のほか、
2011

2008 年 10 月に災害現場におけるレスキュー用として消防機関に試験導入され、2011 年 3 月に専用装備を

年 3 月に発生した東日本大震災被災地のガレキ撤去な
どの復旧現場でも稼働した。(写真 3)備えた後継機 2 台が正式採用されている。

写真 1. 7 トン級双腕仕様機 ASTACO

写真 3. 東日本震災現場での稼働- 179 -

これらの情報は、遠隔操作盤への表示とハードディス

原子力災害対応用 ASTACO SoRa
現在、福島第一原子力発電所では、高い放射線環境下において遠隔操作での環境調査・測定などを行う各

クへの記録が可能で、本体周辺の建屋内環境モニタリ
ングに活用できる。

種ロボットが適用されている。
ASTACO-SoRa は、原発建屋内でのガレキ撤去、遮へい体の設置等、比較的重量物を扱う作業を目的に、日立建機(株)と(株)日立パワーソリューションズが共同開発した遠隔操作式の小型双腕重機型ロボットである。
本体部分は、他の双腕仕様機と同様に信頼性の高い
油圧ショベルをベースに開発したもので、幅 980 mmのコンパクトなボディに、狭所作業に適応した作業フ
ロントを 2 本搭載し、建屋内での自由度の高い作業を実現している。(写真 4)

写真 5. ASTACO SoRa 遠隔操作盤

左右のフロントは高さ約 2.5m まで到達し、油圧駆動により 1 本当たり 150kg、両アームで合計 300kg の重ASTACO-SoRa は、2013 年 7 月から 2014 年 3 月にかけ量物を扱うことが可能である。また、建設機械で多用て、原子炉建屋内で稼働した。ケーブル類、鋼材、ダされる油圧カップリングを適用することで、先端ツークト類など、建屋内に残された多種多様なガレキ撤去

ルは遠隔操作での交換が可能となっている。

に活用され、予定の作業を無事終了している。

なお、本体部の開発にあたっては、
2006 年～2010 年
度の NEDO 委託事業
「戦略的先端ロボット要素技術開発
プロジェクト」により培われた技術的なノウハウも活かされている。

写真 6. 原子炉建屋内での稼働(1)
おわりに双腕仕様機の普及にあたり、その機能を生かした災写真 4. ASTACO SoRa 本体部

害対応は、大きな意義を持つものである。今後は情報
遠隔操作盤は、ロボット本体に搭載した 6 台のカメ化施工技術などの制御技術を取り入れ、さらに高度化

ラ映像を切り替えながら、同時に 5 つのモニタに表示

した災害対応ロボットとしての展開も期待される。

可能である。(写真 6)
文献

カメラには、それぞれ LED 照明を搭載しており、暗闇となる原子炉建屋内での作業に対応している。本体(1) 東京電力(株)ホームページにはカメラのほかに放射線線量計、温度・湿度計、酸http://www.tepco.co.jp/nu/fukushima-np/handouts/

素・水素濃度計、および赤外線カメラを搭載しており、

2013/images/handouts_130726_05-j.pdf- 180 -

７．ジェットポンプ式サンドバイパス工法
海岸の堆砂・侵食問題を効率的に解決する
五洋建設株式会社
１．はじめに岡田英明①低圧ポンプで海水を取り込みます。その海水を②海岸には入射波と呼ばれる波浪の働きで、河川から高圧ポンプで昇圧し、海底地盤（堆砂）中に設置され流れた砂を海岸に沿って移動させる沿岸漂砂が発生した③ジェットポンプへと送ります。ジェットポンプでます。しかし、防波堤や護岸の構造物が造られると砂堆砂をスラリーとして吸い揚げ、④採砂桟橋上に設置の移動の連続性が断たれ、流れの上手側では砂が堆積された傾斜のつけられた⑤フルーム管へ送ります。

し、下手側では砂の供給不足により侵食されます。

スラリーはフルーム管で大気開放され、自然流下に五洋建設では、こうした海洋構造物による堆砂・侵食

よって⑥調整槽へと送られます。調整槽の上部には⑦という課題を解決するジェットポンプ式サンドバイパ

振動ふるいが設置され、ゴミなどの異物はここで取りス工法（J-SB 工法、特許取得済）を提案いたします。

除かれます。調整槽で濃度を調整したのち、⑧スラリ

本工法は、堆砂海岸域の砂を固定式のジェットポン

ーポンプで侵食海岸へと輸送します。

プで吸い揚げることによって堆砂を抑制し、侵食海岸域までスラリー輸送することによって砂浜を復元しま

３．ジェットポンプ概要

す。輸送された砂は波や沿岸流などの自然の力によって広げられます。

駆動水

吐出スラリー
液状化水

ジ

下手側

地盤液状化配管

堆砂

排砂管

駆動水配管

侵食

り跡
イ
掘

ジェットノズル（上向きに噴射）上手側

メーコーンミキサー入射波
負圧にて周辺の堆砂を吸引

図-1 堆砂と侵食
２．工法概要液状化

7 振動ふるい

地盤液状化ノズル

図-3 ジェットポンプ概要図

5 フルーム管

6 調整槽
4 採砂桟橋

8 スラリーポンプ
侵食海岸へ

高圧ポンプによって昇圧された海水は、駆動水と液

PP

3 ジェットポンプ

P状化水の 2 系統に分岐され、海底地盤（堆砂）中に設置されたジェットポンプへと送られます。

1 低圧ポンプ

2 高圧ポンプ

液状化水はジェットポンプ下部に設置された４つの防波堤など

図-2 全体概要図

ノズルから噴射され、海底地盤（堆砂）を液状化します。

- 181 -

駆動水はジェットノズルを通してコーンミキサーに向かって上向きに噴射されます。このときにノズル周辺に発生する負圧によって、周辺の土砂をコーンミキ
サー内に吸い込みます。吸い込まれた土砂は、ジェッ
トノズルから噴射された海水と共に排砂管を通って上部のフルーム管まで揚げられます。

写真-2 コントロールルーム
５．工法の特長①作業が簡単・ボタン一つで運転が可能
・日常運転に専門技術者が不要②安全性の向上・海上作業を必要としない
・土砂運搬時に工事車両を必要としない
・船舶の航行に影響しない③環境に優しい・海底地盤中で砂を取り込むため、濁りが少ない
・重機、車両を使用しないので、騒音、排気ガスが発生しない④効率・経済性の向上
・通常のポンプに比べ、取り込む砂の含有濃度が高写真-1 ジェットポンプ気中試運転

く効率的・長期運用の場合、浚渫・運搬工事より安価

４．管理システム
本工法の運転は、コントロールルームにて一括制御方式となっています。本管理システムはオペレーター
が制御用パソコン上の運転開始ボタンをクリックする

侵食側

だけで、システム全体が全自動で運転されます。制御用パソコン画面には、各種ポンプの運転状況、ジェッ
トポンプの運転状況、調整槽内のスラリー量や濃度、
浚渫土量、使用電気量などが表示されます。
また、桟橋、ポンプ室、電気室、吐出口などには監視カメラが設置されており、同様にコントロールルー

堆砂側

ムから監視することができ、安全が確保されています。
写真-3 静岡県の事例- 182 -

８．防潮堤法面用護岸ブロック専用吊具の開発
より安全で、スムーズな法面護岸ブロックの据付作業
玉石重機株式会社○濵山祐司

玉石重機株式会社

片岡廣志

玉石重機株式会社

山口勇治

がかかり、挟まれ等の危険姓もある。

１ はじめに
平成２３年に東北地方太平洋沖地震に伴って発生し・吊り作業で胴巻き用具の不十分な掛かりによる荷す

た津波により東北地方から関東地方にかけての太平洋

べりの危険性がある。

沿岸部一帯に壊滅的な被害が発生した。

・据付作業時の位置合わせの不安定さ、挟まれ等の危平成２４年には仙台湾南部海岸での本格的な復旧事業

険姓がある。

が開始され、当社も事業に参加し、海岸堤防の構築を・埋込吊り金具を取り付ける場合は、製作コストの上手がけた。

昇が発生する。
＜開発吊具による改善点＞
・玉掛けにかかる手間が容易で作業性が向上し、挟ま２ 開発の背景仙台湾南部海岸の復旧工事では、再築堤した堤防のれ等の危険姓が軽減される。

法面部に護岸ブロック（重量２ｔ）を据え付ける作業・斜吊りによる据付作業は、開発吊具と吊り荷をロッがあり、対象物となる護岸ブロックを斜吊りし、調整

クロッドで固定することにより安定する。

しながら据え付けるという不安定な作業である。

・吊り具の脱着が容易である。
＜吊り荷対象物＞＜主な吊り荷作業＞・車両からの荷卸しあるいは荷積み時の重量物水平吊り作業（仮置き作業時など）

クラブロック50型
クラブロックの形状寸法図

・２割勾配の法面へ据付時の重量物斜吊りによる据付

B1

クラブブロックの寸法表

H

作業（ブロック据付作業）＜従来の護岸ブロックの吊り荷作業＞

L3

C2

・製作ブロック時では玉掛け用の治具（埋込吊り金具

Lℓ1４点）を設け、ワイヤロープで吊り上げる。

L2・吊り金具の無い２次製品等では、胴巻き用具を用い
h1

た吊り上げ作業となる。

H

型式
H(mm)
L(mm)
L2(mm)
L3(mm)
h1(mm)ℓ1(mm)
B1(mm)
C2(mm)d2(mm)
質量（ｔ）

50型
500
1,500
150
1,200
70
350
1,680
340
100
2.18

２次製品の吊り荷は胴巻き用具および吊りワイヤロー

ｄ2プの掛け、取り外しに手間が掛かり、作業の短時間化＜開発吊具＞

が困難である。

今回開発（クラブロック５０型（２ｔ）専用吊具一式）

この作業のスムーズな流れと容易性を高める検討を行の吊具・玉掛け用具を示す。

う。
34

３ 専用吊具の開発

6＜一般手法の問題点＞

1・胴巻き用具、吊りワイヤロープの掛け、外しに手間- 183 -

（今回開発）
1.H-300×300 L-700
2.超硬φ38 L-1300 ﾛｯｸﾛｯﾄﾞ（玉掛け用具）3.ﾚﾊﾞｰﾌﾞﾛｯｸ1.6ｔ用
4.ワイヤー(16mm 1.0m 両ｼﾝﾌﾟﾙ付)

2
57

5.HTｼｬｯｸﾙ（3ｔ用）２個
6.ﾀﾞﾙﾏｼｬｯｸﾙ(3ｔ用)１個7.Ｏ環(3ｔ用)１個

＜クラブロック５０型専用吊具＞

４ 施工状況
今回、開発した吊具は津波により被災した仙台南部
海岸防潮堤の復旧工事で活用した。

1
4＜水平吊りによる仮置き状況＞

2

据付箇所への仮置き状況（水平吊り）

ブロックの荷吊り状況（水平吊り）

53
6（開発の特徴）１．H鋼300を加工して作成
２．上部には吊具取付用の孔を3箇設け、目的に応じて取付位置を変える
３．ブロックに差し込んだ時、ズレ防止用のストッパー
４．側面部の孔抜きによる軽量化
５．ロックロッド差込用の孔
６．ブロック傷付け防止用のゴム７．玉掛け用の治具を加工したロックロッド
８．吊り上げ時、製品の自重でロックされ吊り荷が安定＜斜吊りによる据付状況＞
2割の法面に位置付けされたブロックを高さ・勾配・位置の微調整をしながら据え付けていく（斜吊り）＜開発吊具の水平吊り作業＞
クレーン機能付き油圧ショベルフック
Ｏ環(3ｔ用)HTｼｬｯｸﾙ(3ｔ用)

水平吊り時の吊具セット状況＜据付完了＞
竣工（堤防全景・終点側上空より）ワイヤー(16mm 1.0m 両ｼﾝﾌﾟﾙ付)竣工（表法・海側起点より）

ダルマｼｬｯｸﾙ(3ｔ用)

クラブロック50型

超硬φ38 L-1300 ﾛｯｸﾛｯﾄﾞ

５ まとめ＜開発吊具の斜吊り作業＞

平成２３年の東北地方太平洋沖地震津波により被害を受けた海岸堤防および河川への津波遡上により被害

斜吊り時の吊具セット状況を受けた河川堤防の復旧事業は今後も進められるが、クレーン機能付き油圧ショベルフック

Ｏ環(3ｔ用)HTｼｬｯｸﾙ(3ｔ用)ワイヤー(16mm 1.0m 両ｼﾝﾌﾟﾙ付)

ﾚﾊﾞｰﾌﾞﾛｯｸ1.6ｔ用※チェーンの長さを調整することにより自由に角度調整ができる

ダルマｼｬｯｸﾙ(3ｔ用)

それに伴う被覆用ブロックによる緩傾斜護岸の保護工もあることから、本工法による作業上の安全性・施工性の向上・コストダウン・作業時間の短縮等が活用できると期待している。

HTｼｬｯｸﾙ(3ｔ用)

クラブロック50型
超硬φ38 L-1300 ﾛｯｸﾛｯﾄﾞ※クローラドリルｼｬﾝｸﾛｯﾄﾞを利用- 184 -

９．微細藻の破砕効率化のための超音波照射方法の検討
東京工業大学大学院理工学研究科化学工学専攻

松本 秀行

東京工業大学大学院理工学研究科化学工学専攻 ○蜂谷 修平

dry extraction の特徴は、スプレードライヤーによる

１、緒論
近年、食料と競合する従来のバイオマス燃料と異な乾燥操作を行い水の分離を行うことである。これに対り、食料と競合しない微細藻類を用いたバイオディー

し、wet extraction は乾燥操作をせずに細胞膜を湿式破ゼル燃料(BDF)が注目されている。加えて微細藻類の砕で粉砕することが特徴である。
図 2 に示したように、オイル生産の作付面積効率は、従来の穀物及び植物油

dry extraction は得られるエネルギー量よりも投入エネから成るバイオ燃料よりも良いことが知られている。

ルギーが大きく上回り、エネルギー収支がマイナスに

しかし、微細藻類によって生産されたオイルを抽出すなることが報告されている[1]。乾燥操作の使用エネル

るためには微細藻類の細胞壁を破砕する必要があり、ギーが大きいことより、wet extraction の方がエネルギ

破砕工程が BDF 生産プロセスシステム全体の効率に及ー収支を改善できる可能性が高いと考えられている。

ぼす影響は無視できないと考えられる。例えば、破砕を促進する薬剤を使用する場合、破砕後に薬剤を分離するエネルギーが必要となり、薬剤の使用を軽減できる手法が望まれる。
そこで本研究では、細胞壁の破砕方法として、キャビテーションのエネルギーの利用方法に着目した。高エネルギーを発生しうる超音波照射法について、その出力及び周波数が微細藻の破砕挙動に及ぼす影響を明らかにし、超音波照射条件が破砕後の固液分離効率に及ぼす影響も検討する。

図 2 extraction プロセスのエネルギー収支予測[1]２、微細藻の破砕・分離プロセス

また湿式破砕の手法としてビーズミル、キャビテー

培養液中の微細藻類の乾燥重量は 0.1%程度で、乾燥

ション、マイクロ波などが検討されている。本研究で重量の 1000 倍程度の水が存在するため、微細藻をこのは、温度上昇が少なく、溶剤を軽減できるとされていまま燃料として利用することができない。そこで、微るキャビテーションに着目した。本研究で用いる超音

細藻のオイル抽出技術として dry extraction と wet

波キャビテーションは周波数・出力によって破砕効率

extraction の二つの方式(図 1)が考案されている。

が変わることが報告されているが、後工程の固液分離への影響を考察している研究はほとんどない。そこで
図 3 に示されるように、上層が燃料層、下層が水層で中間層が燃料・水混合層であるセトラーモデル[2]に基づいて、微細藻の破砕挙動が後段の分離操作の効率に与える影響について検討する。

図 1 微細藻オイル生産のプロセスフロー- 185 -

えられた。
図 6 に f = 23 kHz において、h を変えた場合の吸光スペクトルの変化を示す。h = 2 cm の場合は、h = 1 cmとh = 3 cm の場合よりもクロロフィルの吸収波長である 680 nm 前後での吸光度のピークが顕著に見られ、振動子と容器の位置関係が微細藻の破砕挙動に影響を及ぼす設計変数であるという知見が得られた。
[2]

図 3 ディーゼル―水系セトラーモデル

また、OH ラジカル生成量が多いといわれている周
波数 f = 500 kHz の超音波を照射した場合では、680 nm

３、超音波照射法の検討

付近のピークがほとんど見られず、細胞壁へのキャビ

・実験方法

テーション作用が 23 kHz の場合と異なると考えられ

ガラス製円筒容器に純水 25 mL とヤエヤマクロレ

た。今後は、所要エネルギー量を削減するために、異ラの粉末0.01 g を入れ、超音波を間接照射した (図4)。

なる周波数を組み合わせる重畳超音波照射法の適用を破砕実験においては、超音波照射時間を 90 min、照射検討する。

出力を 40 W、水浴温度は℃とし、周波数 f [kHz]、
容器高さ h [cm] を変化させた。
照射終了後、マイクロスコープ(KEYENCE 社
VW-9000)と細胞計数盤を用いて図のように観察される黒点のカウント数 N [mL-1] を測定した。また、サンプル溶液を遠心分離操作した後、分光光度計を用い(a)照射前て上澄み液の吸光スペクトルを測定した。

(b)照射後

図 5 細胞計数盤上溶液の観察画像

図 4 実験装置概略図
・結果と考察
容器高さh が黒点のカウント数 N と吸光度I に及ぼす影響を検討した。f = 23 kHz、h = 2 cm の場合、N =図 6 23 kHz 照射の場合の各容器高さにおける吸光ス
ペクトル

5×107 mL-1 であった一方、h = 1 cm と h = 3 cm の場合、それぞれ N =3×107 mL-1 であった。 図 5 に照射前と f =＜引用文献＞

23 kHz、h = 2 cm の条件下で照射した後の観察画像を[1] L.Landon et al.：Environ. Sci. Technol., 43, 6475-6481(2009)

示す。照射前に見られた大きな黒点が照射後にほとん
ど見られなかったことと N の増加より、超音波を照射[2] G. M. Madhu et al.：J. Disper. Sci. Technol., 28,

することで大きな黒点が小さく分割されていったと考- 186 -

1123-1131 (2007)

10．高速施工・大径化を可能とした高圧噴射攪拌工法の紹介
ＦＴＪ（エフツインジェット）工法
株式会社不動テトラ○ 深田 久１．はじめに近年、掘削山留めや既設構造物の耐震補強等で、構造物と地盤改良を組み合わせた構造形式が増えてきた。
ここでいう構造物には、鋼矢板をはじめとする山留め
壁やコンクリート壁体等があり、地盤改良工法としては、機械式攪拌翼を用いる深層混合処理工法がある。
機械式攪拌翼では、既設構造物と密着して改良することができないので、間詰めとして単管式高圧噴射工法等を併用する手法が用いられてきた。近年では、機
写真－１ ＦＴＪ施工機

械攪拌翼と高圧噴射工法を併用した工法が開発されてきているが、攪拌軸またはロッドに一箇所のノズルが取り付けられており、１流線で地盤を切削混合して施工が行われている。
ＦＴＪ（エフツインジェット）工法は、攪拌翼またはロッドの先端に取り付けられたノズルを２箇所とし、２流線で地盤を切削混合することで、大径・高速化施工を実現したので、この概要を紹介する。

写真－２ ２流線の噴射状況
２．ＦＴＪ工法の概要
２流線式セメントスラリー噴射攪拌工法「ＦＴＪ（エ
フツインジェット）工法」は、機械攪拌翼またはロッドの先端に取り付けたノズルから、セメントスラリー
を高圧噴射し原位置で攪拌する深層混合処理工法の一

φ350～600mm種である。ＦＴＪ工法の特長を以下に示す。
①大径・高速化施工
写真－１、２および図－１に示すように、２流線で改良径φ900～2400mm

地盤を切削混合するので、１流線の場合に比べて高圧
図－１ ２流線の模式図

噴射密度を保持したまま、２倍速で施工できる。このため、従来に比べて大径・高速化施工が可能となった。

③幅広い用途と目的②確実な施工管理
改良体の造成を確実に行うため、深度と噴射流量をシステム管理装置にて管理を行う。

山留め壁などの構造物と地盤改良体との間詰め対応
や通常の地盤改良としての適用等、幅広い用途や改良目的に適用可能である。

- 187 -

表－２ 改良仕様④幅広い適用地盤
地盤改良の対象となる緩い砂地盤、軟弱な粘性土地

タイプ

盤への適用が可能である。

250～600

模式図

３．ＦＴＪ工法の適用範囲

L型

N型

1200

350～600

250～600

575～825

S型
575～825

攪拌翼部

攪拌翼部

噴射部

噴射部

900～2000

噴射部

ＦＴＪ工法の適用範囲を以下に示す。
（１）施工対象地盤

改良径（ｍｍ） エア無し 1,700～2,400

・Ｎ値 30 以下の砂地盤
最大切削距離（ｍｍ）
エア無し 250～600

・粘着力ｃ＝70kN/㎡以下の粘性地盤（２）改良体強度

エア無し 1,500，1,600
エア有り 2,000

エア無し 900～1,400
エア有り 2,000

エア無し 575，625（攪拌翼350mmの場合）
エア有り 825

エア無し 450～700
エア有り 1,000

標準施工機

Ｌ型施工機

Ｎ型施工機

Ｓ型施工機

機械式攪拌工法と同様、改良目的に応じ、標準的な

吐出方式

引抜吐出

引抜吐出

引抜吐出

設計基準強度はｑuck＝0.2～1.0 MN/㎡の範囲で選定

施工速度

2.0（分/ｍ）

4.0（分/ｍ）以上

4.0（分/ｍ）以上可能である。
（３）施工可能深度
施工可能深度と施工機概要を表－１、図－２に示す。
表－１ 施工可能深度
標準施工機

軸数

標準施工深度

最大施工深度（軸継ぎ足し）Ｓ型施工機

1

Ｎ型施工機 DHJ12（12t）

1

１０m

１８m

Ｎ型施工機 DHJ25（25t）

1

１７m

２４m

1～2

２７m

４５m

Ｌ型施工機 （60t）２０m

図－３ 現場と室内の強度比
５．密着施工ＦＴＪ工法は写真－３に示すように、高圧噴射によって鋼矢板などの既設構造物と確実な密着施工が可能

24m

である。

18m

図－２ 施工機概要図（４）改良仕様ＦＴＪ（エフツインジェット）工法の標準的な改良仕様は、低変位対応を含め、施工機・施工方法により、
表－２に示すように幅広く選択が可能である。
写真－３ 鋼矢板との密着状況
４．改良効果ＦＴＪ工法の現場強度ｑuf と室内配合試験の強度
ｑul との比率を図－３に示す。ｑuf／ｑul＝1/1～1/2と良好な強度の発現が見られている。

- 188 -

Ⅱ－２

研究開発助成成果報告
平成２６年１１月２７日

平成２６年度建設施工と建設機械シンポジウム
平成２４年度研究開発助成成果報告

助成研究名：「掘削バケット前方埋設物の地中レーダ
監視システムの開発」

群馬大学 理工学府 電子情報部門 三輪空司

研究背景
近年、パワーショベル等の建設機械を使用した工事において電話線、光ケーブル、ガス管、水道管等を破損する地下埋設物損傷事故が後を絶たず、事故現場付近の住民へ重大な被害が及んでいる。
対策は？

従来法①埋設図面の利用
地下に埋設されているケーブルや配管の位置を図面で表した埋設図面を利用し、予め埋設物の位置を把握することが可能である。
⇒予め位置推定が可能⇒図面に記載されていない埋設物が存在②探査機による事前の調査
地中レーダ探査や電磁誘導探査等の地表面上からの探査をおこなう。
⇒予め位置推定が可能⇒位置推定の精度が不十分、多額の費用が必要- 189 -

研究目的
従来法では位置推定精度が悪く、作業員の不注意や操作ミスによる事故も多い。そこで、本研究では「掘削時前方探査のためのバケット一体型地中レーダシステム」を提案する。
本システムでは、バケットの鋼板上に地中探査用アンテナを一体化させ、掘り進める際、地中を対象にリアルタイム計測を行う。

レーダシステム概要図

研究項目と実施状況
シミュレーション

ソフト開発

ハード開発

実験

指向性アンテナの開発

八木宇田ス
ロットアンテナ

簡易アンテナの試作

地中内アンテナ
特性計測

アンテナの
一体化

バケットの影響検討

市販バケットの改造

地中内でのバケット一体アンテナの特性計測

リアルタイム
計測可能なＦ
ＭＣＷレーダの開発

既設埋設管のあるフィールドでの探査実験

レーダシステムの開発

ドップラ法によるターゲット検
出法

Ｈ２５年度実施済み
Ｈ２６年度実施中
Ｈ２６年度実施予定- 190 -

バケット一体型アンテナの検討
アンテナ要件①平面アンテナである⇒バケットとアンテナを一体化する際、バケットの強度を保ちながらバケッ
ト面上にアンテナを配置するため、形状としては薄型で平面状である必要がある。
②指向性を有する⇒計測中、最も不均一の大きい場所はバケットの動きにより大きく状況の変化するバケットのアーム側である。よって、バケット前方に指向性を向ける必要がある。
③広帯域である⇒レーダとして使用するには広帯域性が必要となる。具体的には、比誘電率を約25とすると、50cm先までを約10cmの分解能で見る場合、帯域幅としては約250MHz程度必要となる。
目的
シミュレーション及び実験を通して上記の3つの条件を満たす地中探査用アンテナのを開発する。

設計アンテナの特徴
スロットアンテナ
 比較的広帯域
 薄型平面アンテナ作成に向く
 構造的に強い 磁気ダイポール
 底面方向の放射を抑制する
キャビティを設置

八木・宇田アンテナ
 素子配列方向に指向性を得やすい
 狭帯域

金属板

２つのアンテナを組み合わせた八木・宇田スロットアンテナ

八木・宇田スロットアンテナを採用- 191 -

キャビティの概要
地板の大きさが無限のス
ロットアンテナはアンテナ表、裏に電波を放射するが、地板が有限のため地板端部電流がキャンセルされ、アンテナ効率が悪化するため、裏面の電流を抑えるために
全スロットを1つのキャビティで格納

キャビティでフタをする

シミュレーションによる最適化• マックスウエルの方程式を時間、空間で差分化• 時間領域でアンテナの放射による電磁界を計算• 3000通りのアンテナ形状について遠方界を評価した
変化させたパラメータ最適化する際の基準
①
②
③
④

帯域幅
前後比の大きさキャビティの厚み
前方方向の指向性

地板サイズ
300×124mm
キャビティのサイズ 280×44mm
放射器
200mm
導波器
40～192mm
反射器
208～280mm
スロット間隔4～16mmキャビティの深さ8～40mm
給電間距離48～144mm- 192 -

ＦＤＴＤ法におけるモデリング

Front

Back

175セル
50セル

比誘電率：16160 セル・6層のＰＭＬ吸収境界条件
・地中の比誘電率１５、導電率は０・その媒質中にアンテナが置かれているものとして、遠方界を計算最適なアンテナパラメータ
スロット部
③

②

キャビティ部4 mm①④
200 mm①②③④導波器の長さ
反射器の長さスロット間隔キャビティの厚み- 193 -

40 mm
208 mm8 mm
16 mm

最適化されたアンテナの特性

E面

E面（垂直面）

H面（水平面）0度±180度

比誘電率：15

E面指向性特性90[deg]0[deg]

180[deg]

270[deg]…
--.

- 194 -

400 MHz
500 MHz
600 MHz
700 MHz試作アンテナ

材質：アルミキャビティ内部・・・280×44mm
キャビティの厚み・・・16mm
地板サイズ・・・300×124mm
導波器・・・40mm
放射器・・・200mm
反射器・・・208mm
給電点間の距離・・・96mm
全体図

地中内での指向性の測定• 地中内にアンテナを0, 60, 90, 180,
270度に傾けて配置して埋め戻し、それぞれの角度におけるアンテナ
伝達特性を測定した。
アンテナアナライザー
ZVH8(ROHDE&SCHWARZ)
60 Deg.

110[cm]150[cm]75[cm]

送信270 Deg.

受信- 195 -

シミュレーションとの比較• 測定結果とシミュレーション結果を比較すると、測定結果には地中の水分による減衰の影響が見られるが、傾向は概ね一致している
給電点間距離・・・75cm
地中の比誘電率・・・15

比誘電率・・・15
60
60Deg
Deg.

60 Deg.

270 Deg.
270 Deg

270 Deg.

シミュレーション結果

測定結果

地中内での反射特性計測
・直径１０ｃｍの中空塩ビ管を反射体・送受信アンテナを平行に地中に配置し、反射体までの距離を変化
反射体:30cm

反射体:40cm

120 cm反射体:50cm

110 cm

塩ビパイプ
反射波

反射体なし

30~50 cm

直達波

- 196 -

まとめ・今後の課題• 遠方界を用いた八木宇田スロットアンテナの最適化を行った• 試作アンテナによる土壌内透過計測実験
シミュレーション結果と実験結果の比がほぼ一致
400～700MHzの広帯域（帯域幅300MHz程度）で利用可能• 試作アンテナによる土壌内反射計測
アンテナ間の直達波が小さい
50cm離れた直径10㎝の塩ビ管からの反射波を計測可八木宇田スロットアンテナはバケット一体型アンテナとして
利用可能
今後の課題
• 重機を用いた反射体計測実験• 試作レーダシステムによるリアルタイム計測• 砂利、礫交じり土等、実フィールドでの適用性検討

バケット一体アンテナの試作状況
三菱キャタピラ製バケット（0.5m3 ）にアンテナ設置用の開口部を設け、試作したアンテナを設置し、掘削中のリアル
タイム計測実験を行う予定- 197 -

超広帯域通信ICタグと3次元モデルを用いた情報施工管理システム

大阪大学 大学院工学研究科
環境・エネルギー工学専攻 教授

矢吹 信喜

目次

1. 背景・目的
2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験
3. アンテナ配置最適化システム
4. 3次元表示システム
5. 自動警報システム
6. まとめ2- 198 -

1. 背景・目的

研究背景（1/3）

情報化施工

建設生産プロセスのうち「施工」に注目し, ICT（Information and Communication Technology）の活用により高効率・高精度な施工の実現や施工で得られる電子情報の他のプロセスへの活用などを行う.

例）  TS ( Total Station ) 出来高管理
 マシンコントロール（MC）/マシンガイダンス（MG）
 GNSSを利用した測位技術• TS出来高管理：作業の自動化・効率化を図る.
• GNSS：衛星からの信号を受信し測位を行う.
• MC/MG：リアルタイムに自動制御し施工を行う. /重機の操作をサポートする.
3

1. 背景・目的

研究背景（2/3）

GNSSの欠点• 閉鎖された空間において利用できない.
• RTK-GPSを用いて, 高精度な測位ができるが, 非常に高価で大きな機材が必要である.
• 通常のGPSを用いた測位では大きな誤差が発生する.

CIM(Construction Information Modeling)の導入• 3次元モデルの作成とライフサイクルを通じての活用によって, 生
産性, 品質, 安全性の向上を目指す.
• 3次元モデルの活用により, 従来のように文書や写真記録を残す
手法からより効率的に施工を行うことができるようになると考えられる.

閉鎖空間においても一定以上の精度で測位を行うことのできる技術と3次元モデルを組み合わせることにより, 施工プロセスの生産性や安全性を向上させることができると考えられる.

4- 199 -

1. 背景・目的

研究背景（3/3）

UWB
•
•
•

今までのICタグは, 動くものの位置情報を得ることができない.
しかし, UWB周辺に3個以上のアンテナを設置.
cm級の比較的高精度の測位を屋内でもリアルタイムに行うことが期待できる.
ICタグには個体識別情報が付加され, 物の位置, 動きなどを把握することができるようになる.

FCC（Federal Communications Commission）による定義
帯域幅500Mhz以上
または
帯域幅の中心周波数に対する比が20%以上
 米国： 3.1~10.6GHzの範囲で-41.3dBm/MHz以下の出力に制限されている．
利用に免許は不要, 屋外での利用も可能.
 日本： 3.4~4.8GHzでは-41.3dBm/MHz以下, 4.8~10.25GHzでは-70dBm/MHz
以下の出力に制限されている. 利用には総務省に実験局の申請 及び陸上特殊無線技士3級の免許が必要, 屋外利用も不可. また, UWBを利用する商品が少なく, 高価, 建設分野での研究が極めて少ない

5

1. 背景・目的

研究目的• UWB-ICタグを活用したシステムを開発するにあたり, UWB-ICタグを用いた屋内測位の精度に関する基礎的な実験を行う.

• また, UWBの送受信を行うアンテナを現場に設置する必要があるが,どの場所からも最低3つ（三次元環境では4つ）のアンテナが電波を受信できるようにアンテナを設置する必要があるので, アンテナの設置場
所の最適化を行うアルゴリズムの開発を行う.

• 建設作業員のヘルメットやバックホウ, ダンプトラック等の建設機械にUWB-ICタグを取り付けることを想定し, これら測位対象の3次元モデ
ルをCADソフトを用いて作成し, 各UWB-ICタグの位置をモデル上に表示するプログラムを作成し, 遠隔の事務所で施工や安全の管理が行えるシステムを構築する.

6- 200 -

1. 背景・目的

既往研究 Ali Motamedi, Mohammad Mostafa Soltani, Amin Hammad : Localization of
RFID-equipped assets during the operation phase of facilities, Advanced
Engineering Informatics, Volume 27 Issue 4, pp.566–579, 2013
• RFIDによる位置情報推定とBIMデータを結びつけることで施設管理を行う
手法の開発
 C.Zhang, A.Hammand, M.ASCE, S.Rodriguez : Crane Pose Estimation UsingUWB Real-Time Location System, J．Comput．Civ．Eng．, 26, pp.625-637,
2012• クレーンのアームにUWB-ICタグを取り付けリアルタイムに位置情報を取得し, 効率的なクレーン操作を計算するシステムの開発.

 Tao Cheng, Jochen Teizer, Giovanni C.Migliaccio, Umberto C.Gatti : Automatedtask-level activity analysis through fusion of real time location sensors andworker’s thoracic posture data, Automation in Construction, Vol.29, pp.24-39,
2013• UWB-ICタグを通じて得られる情報を基に, 建設プロセスの分析を行う手法の開発.
7

実験概要

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験• UWB-ICタグを用いた屋内測位を実際に行い, その精度を調査する.
• 測位は様々な条件下で行う.

使用機器

UWBアクティブタグ

ハードウェア仕様
外形寸法

重量

基盤本体

25×51×0.9mm

筐体格納時

W27.8×H56.5×D15.2mm

基盤本体

4g

筐体格納時

19g

使用環境条件

0~50℃, 30~80%RH, 結露なきこと

データ送信間隔125ms

電源リチウム2次電池（180mAh）

充電方式

DC：5V / 1.0A, DCジャック（EIA#1）

連続駆動時間16時間

UWB-ICタグ（W27.8×H56.5×D15.2mm）- 201 -

8

使用システム2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

UWB-ICタグから発信される測位信号と, 基準局から発信される基準信号が各基地局において受信され, その到着時間の差によって各基地局からUWB-ICタグまでの距離とUWB-ICタグの相対的な位置を求める.
○測位システム仕様（取扱説明書より作成）
通信距離 : 30m
通信システム :Impulse radio UWB
周波数帯域 : 3.4～4.8GHz
通信レート : 250kbps
測位方式 : TDOA（TimeDifference ofArrival）方式

ユーシーテクノロジ株式会社, UWB測位システム取り扱い説明書, 2013 より引用

実験内容

9

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

 静的精度実験 静的アンテナ指向性実験
 静的遮蔽影響評価実験
 静的貼り付け影響評価実験
 水平方向動的精度実験
 鉛直方向動的精度実験

10- 202 -

静的精度実験（1/2）•••

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験場所：大阪大学吹田キャンパスS4-111講義室
使用機材：基地局4台, 基準局1台, ICタグ1台
実験方法：基地局及び基準局を固定した状態で, 各点にICタグを設置して測位
を行った.

実験結果

11

配置図

静的精度実験（2/2）

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験結果
誤差
0.24m
0.65m
0.06m
0.13m

平均
最大
最小
標準偏差
誤差計算値

誤差

計測された点の数
7
17
19
30
7

0.40m～
0.30～0.39m
0.20～0.29m
0.10～0.19m
0.00～0.09m

割合（N=81）
9.9%
21.%
23.4%
37.1%
8.6%

誤差の大きさごとの計測された点の数

12- 203 -

静的アンテナ指向性実験•••

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験場所：大阪大学吹田キャンパスS4-111講義室
使用機材：基地局3台, 基準局1台, ICタグ1台
実験方法：基地局, 基準局及びICタグの位置を固定した状態で, 基地局のアンテナの向きを変えながら測位を行い, その誤差を計測した.

• アンテナの向きによって測位精度に影響が表れることが確認された.

13

静的遮蔽影響評価実験（ホワイトボード）（1/2）•••

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験場所：大阪大学吹田キャンパスS4-111講義室
使用機材：基地局3台, 基準局1台, ICタグ1台
実験方法：基地局及び基準局を固定, 基地局とICタグの間の点Aに遮蔽物（金属製ホワイトボード）の中央を置いた状態で, ICタグと遮蔽物の間の距離を30cmずつ変化させながら測位を行った.

ホワイトボード寸法14

配置図- 204 -

静的遮蔽影響評価実験（ホワイトボード）（2/2）

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験結果
5.00

全20点における測位結果

4.50
4.00
3.50

平均誤差（ ）
m

平均
最大
最小

3.00
2.50
2.00

0.26
0.61
0.10

ホワイトボードがない場合

1.50
1.00
0.50
0.00
0

1

2

3

4

5

6

7

点Aからの距離（m）
ホワイトボードなし

ホワイトボードあり

遮蔽影響実験結果（ホワイトボードの有無による比較）

平均
最大
最小

0.56
1.46
0.13

ホワイトボードがある場合（誤差4.40mの点を除く）

15

静的遮蔽影響評価実験（水を入れたペットボトル）

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

水を入れたペットボトルで基地局とICタグの間を遮蔽した状態で測位を行い誤差を計測した.
実験結果
ペットボトルの数
点A
点B 測位可能か
どうか
1
0
可
1
1
可
2
1
可
2
2
不可
3
2
不可
3
3
不可
水の層によってUWBが遮蔽されることが確認された.
配置図

16- 205 -

静的遮蔽影響評価実験（水を含んだ雑巾）••

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

水で濡らした雑巾で基地局とICタグの間を遮蔽した状態でも同様に測位を行い, 誤差を計測した.
ICタグを証明用スタンドに取り付け, ビニール袋を被せた上から雑巾を被せ,輪ゴムで絞めた.

実験結果
平均誤差
ビニール袋のみ
乾燥した雑巾1枚
濡らした雑巾1枚
濡らした雑巾2枚
濡らした雑巾3枚

0.17m
0.11m
0.15m
0.41m
0.29m

測位精度に与えるはっきりした影響は確認されなかった.

17

配置図

静的貼り付け影響評価実験（1/2）•••

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験場所：大阪大学吹田キャンパスS4-111講義室
使用機材：基地局3台, 基準局1台, ICタグ1台
実験方法：基地局及び基準局を固定, ICタグを木板や金属板に貼り付けた状
態で向きを四方に変えながら測位を行った.

配置図- 206 -

18

静的貼り付け影響評価実験（2/2）

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

貼り付け対象物
寸法
300×300×16mm
300×150×0.3mm
300×300×20m
297×210×2mm
300×300×20mm

木板
ステンレス板発泡スチロール板
塩化ビニル板
ゴム板
実験結果

平均誤差
0.22m
3.77m
0.13m
0.19m
0.23m

木板
ステンレス板発泡スチロール板
塩化ビニル板
ゴム板

他の材料と比べて金属板（ステンレス板）を利用した際には大きな誤差が計測された.

水平方向動的精度実験

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験場所：大阪大学吹田キャンパスS4-111講義室
使用機材：基地局4台, 基準局1台, ICタグ1台
実験方法：基地局及び基準局を固定, ICタグを水平方向に移動させながら測位を行った. 測定位置付近の測位データと撮影した映像で確認した実際の位置との誤差を計測した.

実験結果
1.20

R² = 0.1704

1.00
平均誤差（m）

•
•
•

19

0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

平均速度（m/s）

配置図

平均速度が速いほど誤差が大きくなる傾向が見られた.
20- 207 -

鉛直方向動的精度実験（1/2）•••

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験場所：大阪大学吹田キャンパスS4-512実験室
使用機材：基地局4台, 基準局1台, ICタグ1台
実験方法：基地局及び基準局を固定, ICタグを鉛直方向に上下させる間の測位データを取得した.

配置図

鉛直方向動的精度実験（2/2）

21

2. UWBを用いた屋内測位に関する基礎的実験

実験結果
0.70

平均誤差（m）

0.60
0.50
0.40

R² = 0.7316

0.30
0.20
0.10
0.00
0.00

0.50

実験風景

1.00

1.50

2.00

平均速度（m）

22- 208 -

3. アンテナ設置最適化システム

アンテナ配置最適化システムの概要• 遠隔の事務所で施工や安全の管理が行えるシステムを構築するために,
UWBを受信するアンテナを現場に設置する必要がある.
• そこで, 3次元プロダクトモデルの中で, 電波の到達範囲などを自動的に考慮し, 図に示すように, 一定の領域に, 任意の座標点から最大通信距離までの正方形を一番効率的かつ経済的な配置することを求める. 領域
内測位できる面積を最大化すると同時に, アンテナの個数を最も少なくさせるアルゴリズムの開発を目指す.

23

3. アンテナ設置最適化システム

アルゴリズム開発のフローチャート

領域座標を設定し, そのデータを読み込む.
領域内の１つの点を出発点とし, 領域内すべてのアンテナの座標と個数を求める.
領域内の１つの点を出発点とし, 領域内で測位できる面積とできない面積を求める.
領域内の任意点を出発点とし, アンテナの座標と個数, 測位できる面積とできない面積を求める.
アンテナの個数と面積, また, コストを総合的に考慮し, 最も良い配置方法を求める.

システムの開発環境
項目

内容

開発言語

C++

ソフトウェアMicrosoft Visual C++ 2010 Express

補助ソフトウェア（1）Autodesk 3ds Max Design 2010

補助ソフトウェア（2）AutoCAD 201024

- 209 -

3. アンテナ設置最適化システム

アンテナ配置座標の計算方法（1/2）

出発点(アンテナ)
配置できない点(アンテナ)配置できる点(アンテナ)

y

0

x

25

3. アンテナ設置最適化システム

アンテナ配置座標の計算方法(2/2)

しかし, この方法は, 凹な領域の場合, 左の図に示すように, 出発点Aの場所によっては, 領域の極一部しかアンテナの配置位置が定まらない場合がある. このような場合, 右の図に示すように, 出発点から描く水平線が境界線に左右各々1回しか交差しない白い部分に出発点を配置することにより, 全体のアンテナの配置場所を求めることができる.

26- 210 -

3. アンテナ設置最適化システム

面積の計算方法

測位できる面積と測位できない面積を求めるために, 領域全体の面積とアンテナで囲まれた面積を求める必要がある．
領域全体の面 : 領域を構成する点の座標を(xi yi)と表す. ここで, i=1, 2, …, nとする．領域全体の面積は下の式により求められる. この式を用いると, 領域が凸多角形でも凹多角形でも面積の計算ができる．
ここで,S: 領域全体の面積
ただし, xn+1 = x1, yn+1 = y1とする

アンテナで囲まれた面積 : アンテナで囲まれた面積を求めるために, 隣接する4つのアンテナで囲まれた正方形の数を求める. 下の図に示すように, アンテナの位置を点で示し, 左側から縦の点列をa[1], a[2], …のように配列としてメモリに貯える．a[i-1]とa[i]において, Y座標が同じ点のペア数（この場合は5）から1を引いた数（この場合は4）を正方形の個数とする．このプロセスをa[1]からa[n-1]まで繰り返すことにより全ての正方形の個数が求めら
れる．

27

3. アンテナ設置最適化システム

モンテカルロ法による最適化(1/4)• モンテカルロ法（Monte Carlo Method）とは, 乱数を用いてシミュレーションや数値計算を用いて行う手法である．ランダム法とも呼ばれる.
• 下の図に示すように, 出発点が(79, 100)の場合はアンテナの個数は38で, 正方形の数が25となった. 一方, 出発点が(185, 155)になると, アンテナの個数が41で正方形の数が28となった. このように計算で求められるアンテナの設
置個数が異なる. また, 測位できる面積とできない面積も異なる.
• そこで, 領域内出発点を乱数で発生させて, 数多くの異なる出発点のケースから, なるべく正方形の個数が多く, アンテナの個数が少ないケースを発見する必要がある.

28- 211 -

3. アンテナ設置最適化システム

モンテカルロ法による最適化(2/4)

本研究では, C++のdouble型random()関数を用いた. 最大通信距離20mに設定し, 計算結果をプログラムからテキストファイルに出力した結果を図に示す.

29

3. アンテナ設置最適化システム

モンテカルロ法による最適化(3/4)

正方形の個数アンテナの個数• 図に示したアンテナの数と正方形の数の散布図である．
• 図より, 仮に設定した領域に, 最大通信距離20mの場合では, 正方形の数はアンテナの個数が126と127の場合に一番多いことが分かる．これらPとRの2つの点の内, Pの方がアンテナの個数が少ないことからPが最適な結果であることが分かる．

30- 212 -

3. アンテナ設置最適化システム

モンテカルロ法による最適化(4/4)

正方形の個数アンテナの個数• ただし, 上の図に示すように, 点Tのようにアンテナが130個で正方形が102個のようなケースが発生したら, PとTとのいずれが経済的に優れているかを, 判断するた
めには, 別の指標が必要であろう．
• 本システムでは, アンテナの個数, 測位できる面積, 測位できない面積などを, 算定することができる．これにより, 最も経済的な配置方法を求めることができる．

31

3次元表示システムの概要

4. 3次元表示システム• GPSの利用できないトンネル内などの閉鎖空間は, 見通しが悪いことが多い.
• UWB-ICタグを用いると閉鎖空間でも位置情報を得られるので, この測位データを基に, 事前に作成された各種3次元モデルを3次元空間上に表示させることで, 建設施工現場の様子をコンピュータ上に再現することができる．
• 見通しの悪い現場であっても, 現場や事務所の作業員が, 現場全体の様
子を知ることができ, 適切な指示を出すことができるようになる．
測位データ（UWB-ICタグを利用して取得）

三次元空間上に表示

測位対象の3次元プロダクトモデル

その他のオブジェクトモデル

32- 213 -

システムフロー4. 3次元表示システム
測位データを読み込む.
個体識別番号と対応する3次元モデルを読み込む.
3次元モデルの位置や向きを計算する.
アニメーション情報を3次元モデルに付加する.
ディスプレイに出力する.

開発環境
本システムの開発は, Autodesk社の3ds max シリーズの組み込みスク
リプトであるMAXscriptを用いた. また, システムの動作環境として, 3ds
max design 2013 を用いた.
項目
開発言語
システム動作環境

内容
MAXscript
3ds max design 2013

システム動作に必要なもの

33

4. 3次元表示システム

 PCおよびソフトウェア（3ds max design 2013）
 3次元モデル• 建設機械
• 作業員• 建設資材 測位データ（UWB-ICタグから得られる）• 位置情報• 時刻• 個体識別番号
システム動作の流れ
3ds max design 2013 を起動する.
スクリプトを立ち上げ, 読み込む測位データファ
イルを指定する.
アニメーションが開始される.

- 214 -

34

測位データファイル

4. 3次元表示システム• 測位データとして, 測位通し番号, 日付・時刻, UWB-ICタグの個体識別番号,
位置座標（x座標, y座標, z座標）が出力される.
• 個体識別番号を基に, 対応する3次元モデルファイルを読み込む.
• これらのデータを読み込み, 3次元モデルにアニメーション情報を付加する.

測位通し
番号

日付・時刻

UWB-ICタグの個体識別番号

位置座標

3次元モデル35

4. 3次元表示システム

表示させる3次元モデルとして, 建設機械, 作業員, 建設資材のモデルを用いた.

ブルドーザー

クローラクレーン

PC管

バックホウ

リシッドダンプトラック

作業員- 215 -

36

動作画面

4. 3次元表示システム

3次元空間上に各種3次元モデルが表示される.

37

今後の展望

4. 3次元表示システム• 測位データを基に3次元空間上に3次元モデルを表示させた.
• 3次元モデルの表示の仕方や, 表示するデータ等を工夫することで, より使いやすいシステムにしていきたい.
• 建設施工現場における危険が予知される場合の作業員に対する警告や, 作業員や建設機械に対する指示をこの3次元空間上で行うことによって, 施工プロセスにおける安全性や効率性をより向上させることができると考えられる.

38- 216 -

自動警告システムの概要

5. 自動警告システム• 作業員が建設施工現場において建設機械や建設資材と接近した場合に, 危険を知らせるシステム.
• 本システムの開発により, 建設施工現場における安全性を向上させることができると考えられる.
• 接近状態を判別するために, 各種3次元モデルの周囲に判定領域を設置し, それらが重なりあった場合を危険状態と考え警告を行う.

リシッドダンプトラックの3次元モデルの判定領域（前後方向に3倍, 左右方向に2倍, 上下方向に1.5倍の大きさに設定）

システムフロー39

5. 自動警告システム

各判定領域同士の重なり判定を行い, 重なりの存在が認められた場合に警告を行う.

開発環境
項目
開発言語
システム動作環境

内容
MAXscript
3ds max design 2013

- 217 -

40

判定領域の設定

5. 自動警告システム

各種3次元モデルに対して,前後方向に3倍, 左右方向に2倍, 上下
方向に1.5倍の大きさに設定した.

ブルドーザー

クローラクレーン

バックホウ

リシッドダンプトラック

PC管

作業員

41

5. 自動警告システム

動作画面

作業員と建設機械や建設資材が接近した場合に, ３次元モデルの色を変化させることで警告を行う.

通常状態（非接近）

警告状態（接近）42- 218 -

5. 自動警告システム

アニメーション

接近状態の判断は判定領域の重なりの有無によって行う.

43

5. 自動警告システム

今後の展望• 判定領域の設定方法
検討• 警告を行う方法• 開発したシステムの検証

44- 219 -

6. まとめ UWB-ICタグを用いた屋内測位の精度調査を行った.
 UWB測位で用いるアンテナの配置を最適化するア
ルゴリズムの開発を行った.
 建設施工現場において作業員, 各種建設機械, 建設
資材にUWB-ICタグを取り付けることを想定し, 位置情報を基に3次元モデルを3次元空間上に表示させ,建設施工現場を再現するシステムの開発を行った.
 判定領域の設定を行うことによって, 危険状態の判断を行い自動的に警告を行うシステムの開発を行った.
45- 220 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

無⼈化施⼯の効率・安全を高める映像注目支援に関する調査研究⻲﨑 允啓
早稲田大学 理⼯学術院総合研究所（早稲田大学 創造理⼯学部 総合機械⼯学科）
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

研究背景

2

 無人化施工は，急斜面での土木⼯事や水中での河底整備作業，１⼈のオペレータ操縦による複数重機作業など，平時における通常利⽤を中心に応⽤展開されていた．
 雲仙普賢岳への適⽤事例以降，災害対応などの有事への適応が強く求められるようになっている．
 この度の大震災・大津波被害からの復旧⼯事や，原⼦⼒発電所事故に伴う放射線環境下での解体作業などへの適応を踏まえ，この傾向は近年さらに強くなっている．

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 221 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓3

無⼈化施⼯の主な課題
 操縦条件や操縦環境は，根本的に搭乗時のものと異なる→違和感や不慣れさによって必然的に作業効率が低下→掘削作業における作業効率は，有⼈時の4－6割程度[施工効率を低下させる主な要因]
遠隔地
作業現場

視覚提⽰内容の不完全性

操作室

操作・画像情報の通信遅延
環境カメラ

体感・触覚情報の⽋落

無⼈化重機

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓4

視覚提示内容の改善
 無⼈化施⼯の高度化には，遠隔操縦の計画や判断の基本となる映像情報そのものへの要求が厳しくなると予想される[環境カメラの半自動制御システム]

・作業状況に応じてカメラの方向・画角を自動的に制御・状況に適したカメラを選択して適切な制御モードを割り当て
ﾏﾆﾋﾟｭﾚｰﾀ姿勢制御

手先軌道制御

カメラ1
カメラ3
カメラ5
カメラ2

⾞体俯瞰位置制御

手先拡大位置制御

6つのカメラに4つのロールを割り当てる
カメラ6
カメラ4
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 222 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

映像の注目・注視支援5[2012年度：環境カメラの半⾃動化制御手法の開発]→状況に応じて変わる「オペレータが望む映像」を提供できる可能性が示
唆された
潜在的課題：計画や操作の判断に不可⽋な基本情報(視覚情報)が多彩かつ広範に得られることは重要である一方，オペレータの認知情報処理に関する負荷が肥大してしまうことが懸念される[本年度：映像の注目･注視支援]→注目すべきカメラ映像と領域，および映像の解釈方法をシステム側から積極的に提案することで，たくさんの映像の中から，状況にあった適切な映像を探し，その映像内容を把握する認知的負担を大幅に減らすこと，さらには適切な誘導が可能になる充実が図られる視覚提示情報をフル活⽤するためのインタフェース技術であり，無⼈化施⼯の高度化を担う有⼒なツールの1つになると考えている
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

研究手順

6

1. 注目領域の分析と半⾃動制御手法の改良

 作業状況と注目映像および注目領域との関連性を分析し，注視支援を実装するための半⾃動制御手法の改良を⾏う．

2. 注目支援システムの開発

 3段階の注目支援技術を開発する．
フェーズ1：作業状況に応じた映像の選択モジュール
フェーズ2：注目領域の抽出モジュール
フェーズ3：選択・抽出領域の解釈モジュール

3. VRシミュレータを⽤いた実証実験

 VRシミュレータを⽤いて，注視支援なしとありで⽐較を⾏う.
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 223 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓7

1. 半⾃動制御手法の改良
注視支援の効果を高めるために，カメラロールの定義とモニタ表示位置の調整を⾏った．
(2)手先の拡大映像：視点A(3)俯瞰映像(2)手先の拡大映像：視点B(1)⾞載カメラ映像(4)危険認知用映像

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓2. 注視支援のコンポーネント
可変色モニ 手先垂直
タフレーム アロー8

距離感把握 ブラインド
アロー
化

フェーズ1
状況に応じた映像選択

○

－

－

○

フェーズ2
注目領域の抽出

○

○

○

○

フェーズ3
選択・抽出領域の解釈

－

○

○

－

 手先垂直アロー：手先が対象物の中央に近づいたとき(3m以内)，左側の2つのモニタに出
現．アローは，緑・両矢印・半透明とした．
 距離感把握アロー：マニピュレータが壁に近い場合 (2.5m以内)，右下のモニタに出現．
緑から⾚へ変わっていく．距離が3.0m以下では橙，1.5m以下では⾚とし，間の区間は，線形的に変化させた．最短アローには，距離の数値を出現させる．
 可変色フレーム：垂直アローが現れるタイミングで，左側の2つのモニタに作業支援フレーム(緑)が出現し，マニピュレータが障害物に近づくと(0.8ｍ以下)に消え，接触警告
フレームが出現する．距離が短くなるにつれて，半透明の⻩⾊から不透明の⾚へ変化する．
 ブラインド化：距離感把握アローが，接触警告フレームの点滅開始距離よりも小さくなった場合(0.3ｍ以下)，左側2つのモニタが⿊く半透明化する．
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 224 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓2. 注視支援システムの開発

9

接触警告フレーム

可変⾊フレーム
相対距離表示奥⾏き認知⽤アロー

ブラインド化

距離感把握⽤アロー

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

状況1：障害物と遠い場合

10

作業支援フレーム

接触警告フレーム

垂直アロー

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 225 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

状況2：障害物に近い場合

11

距離感把握アロー

接触警告フレーム

垂直アロー

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

状況3：かなり接近している場合

12

距離感把握アロー
接触警告フレーム

ブラインド化

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 226 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓2. 注視支援システムのフロー

マニピュ
レータが対
象物に近い
対象物までの距離が3m以下

作業支援
フレーム

13

作業支援
フレーム
が消滅

作業支援
映像をブ
ラインド

接触警告
フレーム
が点滅

障害物と
ほぼ
接触

垂直
アロー

マニピュ
レータが障
害物に近い

接触警告
フレーム

障害物と
かなり
接近

障害物までの距離が3m以下

距離把握
アロー

障害物までの距
離が0.8m以下

障害物までの距
離が0.3m以下

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓3. ⽐較評価実験

14

 注視支援の有無で，時間効率，安全性，作業品質，主観的な使いやすさを評価した
実験環境

実験内容

6つの物体を素早く，物体の中心を掴んで誤接
触なく回収箱まで運搬する．被験者は8⼈の初
心者とした

比較実験
環境1
環境2

注視支援の有無を評価する(各2セット)
環境1で十分に習熟後，未知環境である環境2におけるパフォーマンスを評価する

評価指標

A. 時間効率：タスク時間B. 安全性・品質：誤接触回数・把持位置
C. 主観評価：アンケートD. 各注視項目の効果：アンケート
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 227 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓15

操作インタフェース

クローラ
3

4

状態

42 インチモニタ

前進
後退

2

1
⾞載カメラ

環境カメラ
ピッチ上げ
ズーム
アウト
ヨー左

⾃動制御復帰レバー

ヨー右
ズーム
イン
ピッチ下げ
アームレストマニピュレータ・旋回

グラップル ブーム下げ
アーム押し
閉操作
未使⽤
バケット
バケット
左旋回
右旋回
掘削
解放
グラップル
アーム引き
ブーム上げ [右][左]開操作

アームレスト

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓時間 s

A. 作業時間
注視支援なし400

16

注視支援あり

350
300
250
200
1

2

3

4
5
被験者

6

7

8

大まかな傾向としては，作業時間が短縮できる可能性が示唆された．
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 228 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓17

B. 誤接触回数・把持位置
誤接触回数

2
1
0
0.45

把持位置 m

注視支援あり注視支援なし

3

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4
5
被験者

6

7

8

0.35
0.25

誤接触に対する効果が大きく表れることが分かった．一方で，把持位置に関しては，改善するオペレータと悪化するオペレータが確認された
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓18

C. 主観的使いやすさ

4
3
2
1
0

被験者

1

2

3

4

5

6

7

8

接触への注意

5

2
1
2

3

4

5

6

3
2
1
0

被験者

スコア(5：良)

3

1

4

5

4

0
被験者

距離感の認識性5
スコア(5：良)スコア(5：良)5

スコア(5：良)注視支援なし注視支援あり奥⾏きの認識性

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

頻繁な視線移動の抑制

4
3
2
1

0
被験者

注視支援を提供することで，奥⾏き感の把握性や頻繁な支援移動の抑制が実現できていることがわかる
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 229 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓19

D-1. 注視支援の有⽤性評価
フレーム（3.75）

垂直アロー（4.38）

距離感把握アロー（3.38）

ブラインド化（2.75）

5

スコア(5：良)

4
3
2
1
0
1

2

3

4

5

6

7

8

被験者

垂直アローは，奥⾏き認識によって有効であることが分かった．オペレー
タそれぞれの好みや特性によって，効果が異なることも分かった
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓D-2. 注視支援の利⽤優先順位

フレーム（2.71）

垂直アロー（2.86）

距離感把握アロー（2.57）

ブラインド化（3.42）

20

自己判断（3.29）

5

スコア(5：良)

4
3
2
1

データ
なし

0
1

2

3

4

被験者

5

6

7

8

強制的に視点移動を促すブラインド化が，適切に利⽤されていたことが分かった．また，オペレータに応じて注目支援そのものの利⽤態度が異なる
点が明らかになった．
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 230 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

まとめ

21

 2012年度の研究により，環境カメラの半⾃動化制御手法により，計画や操作の判断に不可⽋な視覚情報が多彩かつ広範に得られた一方で，オペレータの認知情報処理に関する負荷は肥大することが懸念される．
 「どのカメラ映像のどの部分をどのように⾒ればよいか」といった映像の注目支援について検討した．本研究では，開発済みのVRシミュレー
タを⽤いた調査結果をもとに，注目支援手法の試作・実証を⾏った．具体的に，a.作業状況に応じた映像の選択，b.注目領域の抽出，c.選択・抽出領域の解釈モジュールを開発した．
 実験の結果，注目支援により，作業時間はほぼ一定であるが，誤接触回数が大きく減ることが分かった．アンケートの結果，奥⾏き間の認識や頻繁な視点移動の減少，オペレータの認知負荷の軽減が可能となることが示唆された．
 本研究で提案した「注視支援システム」では，必要な映像を当該状況に応じて適切に注目させることで，「オペレータの認知的負担を減らしつ
つ，作業パフォーマンスの向上」を実現できる可能性が示唆された．
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓

今後の展望

22

 オペレータを個別に分析した結果，効果の是非およびその大小が分かれること，また，注視支援の捉え方が大きく異なることが分かった．
この結果をもとに，視覚支援システムのパラメータ調整を⾏う．
 技術的な観点では，本年度はアングルとズーム機能を有するカメラを利⽤していたが，より詳細な状況把握のために，カメラの高さ方向の調整とカメラ⾃体の移動性も考慮することを検討している．
 カメラ制御パラメータの設定方法の確⽴や学習規範の導⼊，無⼈化施⼯における課題である(b)通信遅延対策，(c)体感情報提示に関する技術
開発との融合による高度化検討，さらには，実環境での実証実験も今後必要になると考えられる．

平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 231 -

早稲田大学 理⼯学術院総合研究所 ⻲﨑允啓御静聴ありがとうございました
本研究の一部は，(社)日本建設機械化協会「平成24年度研究開発助成」，
ならびに，早稲田大学理⼯学研究所の支援を受けて⾏われました．
ここに謝意を表します．
平成26年 建設施⼯と建設機械シンポジウム 2014年11月27日- 232 -

動電式加振器のコンクリート構造物
地震時損傷評価への応用

東北大学 大学院工学研究科 土木工学専攻
鈴木 基行
内藤 英樹

研究の背景
レベル2地震動を受けた土木構造物の状態① 供用継続に支障をきたす損傷
座屈・破断・せん断破壊など
早期に復旧し，供用再開を目指す② 即時には供用に支障をきたさない損傷
曲げひび割れ程度
維持管理の観点から補修補強が必要
点検によって損傷状況を把握する- 233 -

研究の背景目視点検の課題・橋台・擁壁・カルバートなどの背面土側・杭基礎など，地中や水中構造物
・厚い塗装に覆われた場合
・鋼板巻立て，繊維シート補強

塗装除去後

研究の目的
損傷によって構造物の固有振動数が低下する

固有振動数を指標として損傷レベルを推定する
固有振動数
損傷判定

課題
・イニシャル値が不明
・損傷の範囲がわからない

衝撃振動試験の例

研究の目的
加振器を用いたRC構造物の簡易点検技術を提示し，地震時損傷評価の高度化に繋げる．

- 234 -

提案技術のポイント
全体振動

局所振動

部材全体の損傷レベルを明らかにする

検査範囲の損傷レベルを明らかにする加振(sine波)の周波数を変えて共振を起こす．

加振器を使うメリットはここです．
共振周波数=1/周期， 周期=距離/音速
重複反射波を定常応答にする(高精度)

軸方向の縦振動

断面高さ方向の縦振動

たわみ振動

検査範囲

検証実験 (H25年度研究助成)

8体のRCはり供試体の曲げ載荷試
験を行い，ひび割れの検知を試みた．
※詳細は論文をご参照ください．

50
250

200
50
200

15@100=1500
1800- 235 -

引張鉄筋 : D13
スターラップ : D6@100(単位：mm)固有振動数の変化率(%)

検証実験 (H25年度研究助成)
100
50
0
0

300

600

900

1200

1500

1800

左端からの距離 (mm)
※詳細は論文をご参照ください．

振動台実験の概要
3つの地震波によるRC柱の振動台実験を行う
入力レベル(10～200%)を段階的に上げる

動的載荷により損傷を導入→全体の固有振動数を計測
損傷レベルの (最大応答) の推定

そして，柱上部，中間，基部の局所振動試験を行う
損傷位置の同定- 236 -

供試体
400

500
加振方向
500

630

100

450

100

70
70

300

80
200

70

450

80

200

70

300

60

800

加振方向

40
800

H100供試体

H80供試体

軸方向鉄筋：D6

帯鉄筋：D6@50mm

・ 断面高さをパラメータとした．
・ 2種類の供試体×3体作製する．(3種類の入力波)

動的載荷装置

変位計
加速度計

1次元動的載荷
供試体を振動台に固定して，1方向の動的載荷を行い，曲げひび割れを導入す
る．

測定項目
・水平変位
・加速度
・軸方向鉄筋ひずみ- 237 -

入力波
3種類の入力波を用いる．

鷹取波

5加速度 (m/s2)

加速度 (m/s2)

1．sine波2．兵庫県南部地震 JR鷹取観測波 東西成分
3．同 神戸海洋気象台観測波 南北成分

0
−5
0

2

4
時刻 (s)

JMA神戸波

5
0
−5

6

0

2

4
時刻 (s)

6

時間軸は0.25倍に圧縮

入力レベル(10～200%)を段階的に上げる

動的載荷実験の結果
H100供試体 降伏変位：4.7mm

荷重 (N)

4000 降伏変位
2000
0
−2000
−4000

JMA
神戸波

鷹取波

sine波

−40−20 0 20 40 −40−20 0 20 40 −40−20 0 20 40
応答変位 (mm)

応答変位 (mm)

応答変位 (mm)

入力レベル(10～200%)を段階的に上げる⇒最終的な応答塑性率は4～6であった．

- 238 -

動的載荷実験の結果
H80供試体 降伏変位：7.0mm

荷重 (N)

4000 降伏変位
2000
0
−2000

sine波

−4000

JMA
神戸波

鷹取波

−40−20 0 20 40 −40−20 0 20 40 −40−20 0 20 40
応答変位 (mm)

応答変位 (mm)

応答変位 (mm)

入力レベル(10～200%)を段階的に上げる⇒最終的な応答塑性率は4～6であった．

動的載荷実験の結果
損傷状況
降伏変位程度の応答
・動的載荷中に微細なひび割れが柱基部に発生・載荷終了後に閉口
目視での確認は困難
最終的な損傷状況
・柱基部のひび割れ1本が進展・ひび割れ幅は載荷終了時には縮小している- 239 -

最終的な損傷状況

ひび割れ

全体振動試験の概要

各載荷ステップ終了時に計測

最大応答変位と固有振動数の関係を整理

たわみ振動
1次モード

縦振動
1次モード

全体振動試験の概要
・ 供試体をハンマーで打撃
・ 応答加速度を測定

打撃点
打撃点
縦振動

たわみ振動

応答波形をフーリエ分析して固有振動数を算出- 240 -

全体振動試験の結果
・：sine波入力載荷・：鷹取波入力載荷・：JMA神戸波入力載荷

固有振動数の低下率

たわみ振動の変化
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

H100供試体

0

2

4

6

H80供試体0

最大応答塑性率  /y

2

4

6

最大応答塑性率  /y

ひび割れ幅(残留変位)の影響は小さい．
入力波によらず，最大応答変位の影響が大きい．

全体振動試験の結果
・：sine波入力載荷・：鷹取波入力載荷・：JMA神戸波入力載荷

固有振動数の低下率

縦振動の変化
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

H100供試体

0

2

4

6

最大応答塑性率  /y

H80供試体02

ひび割れ幅(残留変位)の影響は小さい．
入力波によらず，最大応答変位の影響が大きい．

- 241 -

4

6

最大応答塑性率  /y局所振動試験の概要

柱部分水平方向に
縦振動を励起検査範囲

最大加振レベル終了後に柱基部，中間部，上部で計測

検査範囲内のみ振動する

局所振動試験の概要

加振器

加振器により振動を伝達
加振

加振器得られる応答加速度から固有振動数を判定

柱基部・中間部・上部で計測を行う- 242 -

伝達棒
応答加速度ピックアップ

局所振動試験の結果
0.4

c
1

2L 2L

L ：厚さ

9388Hz0.2E

応答加速度 (m/s2)

f 

上部



c ：音速

E ：コンクリートの動弾性係数
 ：密度健全時の理論値
9276Hz00.48496Hz

中間部

0.2
0
0.4

基部

7104Hz

6000

8000

0.2

基部で固有振動数が大きく低下

0

周波数 (Hz)

10000

・：sine波入力
・：鷹取波入力
・：JMA神戸波入力

柱基部の固有振動数が低下した

フーチング上面からの高さ (mm)

局所振動試験の結果
400

H100
供試体

・損傷位置が同定できる・最大応答変位が影響する
・残留変位の影響は小さい

H80
供試体

200

200

0

400

6000

0
8000 10000 6000

固有振動数 (Hz)- 243 -

8000 10000

固有振動数 (Hz)まとめ
1. はり供試体の静的曲げ載荷試験(H24年度，基礎的検討)
2. 柱供試体の振動台実験(H25年度，地震動作用の検討)

 加振器を用いた点検方法を提示した．
 地震を受けたRC柱の損傷を検知できる可能性が示唆された．
 今後，目視困難な構造物の地震時点検への応用を図る．

- 244 -

23

平成２６年度 シンポジウム実行委員会 名簿（委員五十音順・敬称略）
委員名

機関名

所属・役職

委 員 長

建山和由

立命館大学

理工学部 環境システム工学科 教授

副委員長

高橋

弘

東北大学

大学院環境科学研究科環境科学専攻教授

委

員

稲垣

孝

国土交通省

総合政策局公共事業企画調整課企画専門官

委

員

小澤

学

日立建機（株）戦略企画本部戦略企画室開発戦略部部長

委

員

北山

孝

西尾レントオール（株）

取締役 通信測機営業部部長

委

員

木下洋一

鹿島道路(株)生産技術本部機械部次長

委

員

小林真人

コベルコ建機(株)技師長 企画管理部

委

員

小室

キャタピラージャパン(株)執行役員 販売促進部部長

委

員

斉藤秀企

コマツ

開発本部 商品企画室 ﾌﾟﾛﾀﾞｸﾄ･ﾏﾈｰｼﾞｬｰ

委

員

須田幸彦

国土交通省

関東地方整備局 企画部施工企画課長

委

員

竹内幸弘

(株)ﾄﾌﾟｺﾝｿｷｱﾎﾟｼﾞｼｮﾆﾝｸﾞｼﾞｬﾊﾟﾝ 開発営業部ﾃｸﾆｶﾙｻﾎﾟｰﾄｸﾞﾙｰﾌﾟ課長

委

員

鈴木嘉昌

西松建設（株）土木事業本部 機材部長

委

員

玉石修介

(一社)日本機械土工協会

技術委員長

委

員

隼

（株）レンタルのニッケン

執行役員 広域統括事業部部長 関東支社長

委

員

行川恒弘

(株)前田道路工事事業本部 機械センター所長

委

員

藤野健一

(独)土木研究所

技術推進本部先端技術チーム 主席研究員

委

員

竹之内博行

(一社)日本建設機械施工協会

施工技術総合研究所 技師長

委

員

西脇徹郎

(一社)日本建設機械施工協会

標準部長

委

員

前原信之

(一社)日本建設機械施工協会

技術部長

洋

直毅

（独）
：独立行政法人 、 （一社）
：一般社団法人

建設施工と建設機械シンポジウム論文集・梗概集（平成26年度版）
平成 26 年 11 月 20 日

印刷

平成 26 年 11 月 20 日

発行

編 集
一般社団法人発行所〒105-0011

日本建設機械施工協会

東京都港区芝公園３-５-８（機械振興会館内）
ＴＥＬ （03）3433-１５０１
ＦＡＸ （03）3432-０２８９

複製厳禁

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