全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリル NAVI」の開発－山岳トンネル工事における余掘り低減技術および地山診断技術－
Development of Drilling-Guidance-System "Drill Navi"by Tracking Position of Rock Drills Automatically
若林宏彰*1

富澤直樹*1

Hiroaki Wakabayashi Naoki Tomisawa

高田篤*2

Atsushi Takada

福井

森山祐三*2

Yuzo Moriyama

正規*1Masaki Fukui

要旨
山岳トンネルで多く採用される発破工法では、余掘りが増大することで、材料コストや施工サイクルのロスが問題になっている。また、山岳トンネルは地下深部にある線状構造物であり、事前に地表から十分な地質調査を行えないため、切羽前方の地質を適切に評価しながら掘進することが重要である。
全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリル NAVI」は、山岳トンネルで標準的に使用するドリルジャンボを高度化することで、発破孔やロックボルト、補助工法等の全ての穿孔作業を高精度に行うとともに、全削岩機に搭載した穿孔探査器で取得した位置情報を持った穿孔データを地山診断に活用することで、上記の課題を解決したものである。
本報告は、全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリル NAVI」の概要と、九州新幹線(西九州)新長崎トンネル(東)他工事において本システムを導入した結果について紹介する。
キーワード：山岳トンネル 発破工法 穿孔 余掘り低減 地山診断

１．はじめに

一般的にトンネル施工中に実施されている切羽前方探査には、ドリルジャンボの削岩機を利用して穿孔速度やくり国内大型プロジェクトとして期待されるリニア中央新幹

粉性状を把握する短尺（L=3～5m）または長尺(L=20～30m)

線や北海道新幹線では、路線の大半を長大トンネルが占めの探りノミ、穿孔中の削岩機の油圧データを解析して地山る。このような山岳トンネル工事の多くで採用される発破評価を行う削孔検層、発破等で岩盤を伝わる弾性波速度を工法では、一般的に余掘りを低減させることが課題となっ解析して地層境界や断層位置を推定する弾性波探査等があている。余掘りの増大は、材料や施工サイクルのロスになるが、それぞれに経済性、施工性、探査時間、予測精度にるほか、トンネル周辺地山を痛め、安全性や品質の低下のついて問題点を抱えている。

原因となる可能性がある。

今回開発した全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリルこの余掘り低減対策として、トンネル外周孔の間隔を狭NAVI」は、山岳トンネルで標準的に使用するドリルジャン

め、1 孔当たりの火薬量を低減しながら発破を行うスムース

ボに、ブラスティング工法が一例として挙げられるが、最適な制①自動追尾式トータルステーションと位置検知用センサー御を行うためには、トンネル外周孔の正確な穿孔位置と、により削岩機の穿孔位置を把握し、ガイダンス用モニタさし角（トンネル計画線に対する穿孔方向）を適切に確保ーにしたがって予め計画した穿孔位置（位置、さし角、しながら正確な深さで穿孔する必要がある。また、硬岩地穿孔長）へ正確に誘導する穿孔誘導技術

山において工期短縮を図るために行う長孔発破掘削では、②日常の穿孔作業で取得した位置情報を持った穿孔データ

余掘り低減のためのトンネル外周孔の穿孔精度のみならず、を活用した地山診断技術

最初に切羽奥行き方向に自由面を作るための芯抜き孔の穿を搭載することで、山岳トンネル工事における施工中や完孔精度を確保することが重要となってくる。

成後の品質や安全性確保、コスト縮減や工程確保を可能と一方、山岳トンネルは地下深部にある線状構造物であり、したものである。

事前に地表から十分な地質調査を行えないのが一般的であ

本報告では、全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリルる。したがって、トンネルの品質を確保しながら安全に施NAVI」の概要と、九州新幹線(西九州)新長崎トンネル(東)工するためには、施工中に切羽前方の地質を適切に評価し他工事に本システムを導入した効果について紹介する。

ながら掘進することが重要である。
*1

土木事業本部

技術部

*2

九州支店

土木部

― 1 ―

鴻池組技術研究報告

２．システム概要

2015

ドリルジャンボの機体の影になり、ガイドシェル後端の測量用プリズムを直接測定できない芯抜き孔等の穿孔には、

2.1

システムの特徴位置検知用センサーのみで削岩機の位置情報を取得する。

全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリル NAVI」は、穿孔誘導技術と地山診断技術で構成されている（図 1）。

本機能により、全発破孔を高精度に穿孔し、余掘りを低減することで、施工サイクルの短縮と使用材料のロス低減

以下にそれぞれの技術について説明する。

を図ることができるとともに、ロックボルトや長尺先受け工などの補助工法を高精度に穿孔できる。

STRAT②オートリターン機能

穿孔誘導技術
位置・姿勢計測システム起動後、自動追尾式TSで機体後方の測量用プリズム3個を測定

発破パターン選定

発破パターンの選定
目標切羽の距離程入力

オートリターン機能は、穿孔ビットが計画位置（目標切羽）に到達すると、自動的に穿孔を終了しロッドが後退する機能である（図 5）。
本機能では、長孔発破掘削や、V カットで行う芯抜き孔穿孔作業の開始
穿孔誘導機能穿孔全体図、穿孔詳細図に削岩機の位置と方向をモニター表示

穿孔データ記録

穿孔位置や穿孔ｴﾈﾙｷﾞｰを記録とトンネル周辺孔など穿孔長の精度が求められる穿孔や、切羽面の凹凸が大きくビットの到達位置が判断しにくい穿オートリターン機能
穿孔作業の終了

全穿孔作業の終了孔において、オペレータの経験や技量に関係なく、全ての穿孔時に目標切羽でロッドを自動返送

穿孔到達位置を自動で揃えることを可能とした。

実穿孔記録のモニター表示

本機能により、余掘りをさらに低減できるとともに、穿孔時間を短縮し、発破後の 1 進行長も計画的に管理できる。

坑内無線LANによる穿孔データおよびジャンボ保守データの自動転送

技術支援
ﾈｯﾄﾜｰｸｼｽﾃﾑ
本社、ｼﾞｬﾝﾎﾞ製造工場等の技術支援

地山診断技術最適な発破ﾊﾟﾀｰﾝの選定

実穿孔記録、余掘り測定結果
使用火薬量との比較

最適な支保パターン、 穿孔ｴﾈﾙｷﾞｰ分布図および展開図、切羽補助工法の選定 観察、地山強度、各計測工との比較
全穿孔データのCIM化

全穿孔データを含む施工データをCIM化して、発注者に提出→ 将来的な維持管理に活用

END

図1
2.1.1

全断面追尾式穿孔誘導システム

フロー図

図2

全断面追尾式穿孔誘導システム

概要図穿孔誘導技術

穿孔誘導技術は、①穿孔誘導機能と②オートリターン機能で構成される。これらの機能により、トンネル周辺孔や芯抜き孔を含む全発破孔を高精度に穿孔し、余掘りの低減や施工サイクルの短縮を図る。
①穿孔誘導機能
穿孔誘導機能は、ドリルジャンボのガイドシェル後端に設置した測量用プリズムによる TS 測量（図 2）と、全削岩機に搭載した 9 箇所の位置検知用センサー（図 3）により

図3

位置検知用センサー

全体表示

穿孔位置を正確に把握し、予め計画した穿孔位置と実穿孔位置をガイダンス用モニター（図 4）に表示して削岩機を概要図

設計穿孔位置 詳細表示
平面図
縦断図
穿孔方向
切羽面誘導することで、トンネル周辺孔や芯抜き孔を含む全発破孔を高精度に穿孔する機能である。
本機能では、余掘り低減のために精度が求められるトン

切羽面

ネル周辺孔の穿孔には、ガイドシェル後端に設置した測量用プリズムによる TS 測量と位置検知用センサーで、また、― 2 ―

現在の削岩機の位置

図4ガイダンス用モニター

目標
切羽

全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリル NAVI」の開発

2.2.1

穿孔誘導技術

①ドリルジャンボが切羽に到着後、ドリルジャンボの機体切羽面の凹凸によらず、目標切羽でロッドが自動後退後尾に設置した 3 箇所の測量用プリズムを、自動追尾式 TS目
標
切羽で測定し、機体の位置座標を把握する（図 2）。
②操作席に設置されたガイダンス用モニターに、目標切羽の距離程を入力するとともに、予め計画した発破パターンやロックボルト打設位置を表示させる。
③ガイドシェル後端に設置した測量用プリズムの TS 測量と、各削岩機のブームに設置した 9 箇所のセンサーによ
図5

オートリターン機能

概要図

り、削岩機の位置を検知し、ガイダンス用モニターにリアルタイムに表示させる（モニターに表示される穿孔位

2.1.2

地山診断技術

置の設計誤差は±5cm）（図 3）。

穿孔時の油圧データ（打撃圧、フィード圧、穿孔速度、④全体画面を見ながら計画した穿孔位置に削岩機を誘導後、打撃数等）を取得できる穿孔探査器（図 6）を全削岩機に詳細画面（平面図、縦断図）に切り替え、穿孔位置と角搭載し、得られた油圧データから地山状況の定量的な指標度を正確に合わせて穿孔を開始する（図 4）。となる穿孔エネルギーを算出する。本機能と穿孔誘導技術⑤ビットが目標切羽に到達すると、オートリターン機能にで取得した穿孔位置データとを統合することで、位置情報より、自動的に穿孔を終了しロッドが後退する（図 5）。

を持った穿孔エネルギーを穿孔データとして取得、利用で⑥全削岩機に搭載した穿孔探査器により、穿孔時の油圧デきる。

ータ（打撃圧、フィード圧、穿孔速度、打撃数等）を取本機能により、定期的な長尺の切羽前方探査で得られる得し、地山状況の指標となる穿孔エネルギーを算定する

穿孔データと、日常の発破孔やロックボルト等の穿孔作業（図 6）。算出された穿孔エネルギーと位置情報データをで得られる短尺かつ複数の穿孔データを利用することで、統合し、穿孔データとしてドリルジャンボのシステムパ切羽前方、切羽全面、トンネル周辺を含むトンネル全長にソコンに記録する。

ついて詳細かつリアルタイムに地山診断を行うことが可能⑦穿孔作業中は、ガイダンス用モニターに実穿孔記録をリである（図 8）。

アルタイムに表示する。オペレータは、③～⑦を繰り返しながら穿孔作業を行う。

各削岩機の油圧ﾃﾞｰﾀを集積して穿孔エネルギーを算出

設計穿孔

実穿孔

穿孔開始

方向 穿孔終了⑧穿孔作業終了後、⑥で統合した穿孔データとドリルジャンボの保守データ（電力過負荷や油温上昇などの異常履歴）を、坑内無線 LAN の経由で、工事事務所や、ドリルジャンボ製造工場、本社技術部等の技術支援ネットワー
ク関連部署のパソコンへ自動転送する。
2.2.2

地山診断技術①工事事務所のパソコンにおいて、実穿孔記録や余掘り測図6

穿孔探査器（記録盤）
立体図

図7

実穿孔記録表示例

定結果、使用火薬量等を比較して、最適な発破パターン

平面図

単位 J/cm3
脆弱部を作成する（図 7）。
②位置情報を持った穿孔データを、立体図やブロック毎（天171端、右側、左側）の平均化した平面図により、地山状況を定量的に評価する（図 8）。
206③切羽前方探査で得られる長尺の穿孔データと、発破孔や165ロックボルト等の穿孔作業で得られる短尺かつ複数の穿得られたデータをブロック毎に平均化して表示

図8

孔データを蓄積し、最適な支保パターンや補助工法を検討する。

穿孔エネルギー分布図④掘削中の地山トラブルやジャンボの機械トラブルが発生
2.2

本システムの運用手順

した場合、技術支援ネットワークシステムを活用し、各穿孔誘導技術および地山診断技術の運用手順を示す。

専門分野の技術支援を受けることで早期解決を図る。

― 3 ―鴻池組技術研究報告

３．現場実証試験

2015

3.2

本システムにおける導入効果の確認方法

3.2.1
3.1

工事概要

穿孔誘導技術①余掘り量の測定方法

九州新幹線（西九州）新長崎トンネル（東）他工事の余掘り量は、レーザースキャナーにより吹付け面の凹凸

57km850m～58km500m の 650m 間において、全断面穿孔誘導を測定し、設計吹付けラインと実吹付けラインとの差分をシステム「ドリル NAVI」の現場実証試験を実施し、本シストンネル周方向で平均化して算出した。

テムの導入効果を確認した。

②サイクルタイムの測定方法

表 1 に工事概要、図 9 に地質縦断図および平面図、図 10

穿孔、装薬、発破、ずり出し、吹付け、およびロックボに支保パターンを示す。
表1

ルトの施工時間を測定した。また、発破孔の穿孔作業に着目し、削岩機の穿孔速度や移動時間、発破孔数を分析して、工事概要施工時間の短縮要因を確認した。

工事名称 九州新幹線（西九州）新長崎トンネル（東）他工事
発注者
鉄道建設・運輸施設整備支援機構
鴻池組・日本国土開発・西武建設・竹下建設
施工者
共同企業体
工事場所 長崎県長崎市現川町地内
工期
2013年3月～2018年2月
穿孔機械 3ブーム2バスケットドリルジャンボ 170kg級
・工事延長3900m、トンネル延長3870m(NATM、発破掘削、内空断面積66.8m2、補助ベンチ付
工事概要 き全断面工法）
・地質状況：変朽安山岩、角閃石安山岩、輝石安山岩、凝灰角礫岩

3.2.2

地山診断技術①最適な発破パターンの作成
掘削を担当する協力業者の 2 班それぞれにおけるオペレータの実穿孔記録を分析し、ガイダンス用モニターに表示する計画発破パターンを作成した。その後、余掘り測定結果とオペレータによるヒアリングを重ね、最適な発破パターンに修正した。
西山台地区

平面図
御手水地区

加勢首地区
現川地区

地質縦断図

試験施工区間 L=650m

最大土被りH≒300m
最小土被り
H≒30m
図9変朽安山岩

新長崎トンネル（東）他工事

ⅠN(鋼製支保工あり,1 掘進長 1.2m)

角閃石安山岩地質縦断図および平面図

ⅡN(鋼製支保工なし,1 掘進長 1.5m)

試験施工区間の内訳
ⅠN
ⅡN
誘導なし
110m
125m
誘導あり
90m
325m
合計200m450m

図 10支保パターン― 4 ―全断面追尾式穿孔誘導システム「ドリル NAVI」の開発②地山の評価方法
全削岩機に搭載した穿孔探査器で取得した油圧データか約 50%低減

ら地山状況の指標となる穿孔エネルギーを以下の式で算出し、穿孔位置データと統合した。
穿孔ｴﾈﾙｷﾞｰ(J/cm3) =約 66%低減

打撃ｴﾈﾙｷﾞｰ(J)×打撃数(bpm)×損失係数K
穿孔速度(cm/min)×孔断面積(cm2)

次に、発破孔の穿孔データを、穿孔エネルギー立体図や
図 11各ブロック毎に平均化した穿孔エネルギー分布図に表示し、余掘り量測定結果

切羽観察記録と比較した。また、支保パターン毎に平均穿合計 5.2hr

孔エネルギーの分布状況を確認した。

合計 4.4hr

さらに、定期的な切羽前方探査や日常の穿孔作業で取得約 15%低減

した穿孔エネルギーと、切羽における原位置でのロックシュミットハンマーによる岩盤強度との相関性を確認した。
3.3
3.3.1

本システムの導入効果
穿孔誘導技術
図 12①余掘り量測定結果
図 11 に余掘り量測定結果を示す。

右削岩機移動時間 穿孔速度
移動時間 穿孔速度
誘導なし
29秒
1.9m/分
誘導あり
20秒2.4m/分
効果31%低減
26%向上

中央削岩機移動時間

左削岩機移動時間

鋼製支保工のあるⅠN パターンにおける平均余掘り量は、サイクルタイム測定結果

誘導なし

誘導あり

誘導なしで 5cm、誘導ありで 1.7cm となり、約 66%低減した。
また、鋼製支保工のないⅡN パターンにおける平均余掘り量は、誘導なしで 20.5cm、誘導ありで 10.3cm となり、約50%低減した。
②サイクルタイム測定結果

距離程

図 12 にサイクルタイム測定結果を、図 13 に穿孔速度測図 13定結果を、図 14 に発破孔数測定結果を示す。

穿孔速度測定結果

図 12 より、サイクルタイムは、誘導なしで 5.2 時間、誘導ありで 4.4 時間となり、約 15%低減した。
図 13 より、削岩機の平均移動時間は、誘導なしで 29 秒、誘導ありで 20 秒となり、約 31％低減した。また、穿孔速度は、誘導なしで 1.9m/分、誘導ありで 2.4m/分となり、約26％向上した。
図 14 より、発破孔数は、誘導なしでは、地山の穿孔エネルギーが大きくなるにつれて増加傾向にあったが、誘導ありでは、地山の穿孔エネルギーの大小にかかわらず、ほぼ

図 14

発破孔数（ⅡN パターン）測定結果一定孔数で推移していることがわかった。
これらの測定結果とオペレータへのヒアリングにより、際の発破結果から、その必要性がないことを確認した。そ誘導ありでは、穿孔誘導機能により、モニターに表示されの結果、孔数抑制による穿孔・装薬時間の短縮や、余掘りる計画発破パターンや実穿孔記録を参考に穿孔するため、低減によるずり出しや吹付け時間の短縮にも効果があった。

削岩機の移動時間の短縮や孔数を抑制できること、オート3.3.2

リターン機能により、穿孔時間の短縮や掘り過ぎを抑制で①最適な発破パターンの作成きることがわかった。特に図 14 に示すように、地山の穿孔エネルギーが 100～400J/cm3 の範囲において、誘導なしで地山診断技術

図 15 に掘削担当の A および B 班の実穿孔記録と計画発破パターンを示す。

は、オペレータは地山が硬くなると孔数を増やす必要があ

実穿孔記録によると、同一支保パターンにおいて、A 班ると思い込んでいたが、誘導ありでは、ガイダンスと実より B 班の方の孔数が多く、穿孔長も長いことがわかった。

― 5 ―鴻池組技術研究報告

2015

このことから、実際の発破パターンは、オペレータの経験や技量によって大きく異なることがわかった。
最適な発破パターンは、余掘り測定結果やオペレータへのヒアリングを重ね、芯抜き孔やトンネル周辺孔の間隔、穿孔長やさし角を修正しながら AB 各班で作成した。
なお、現在、B 班は、孔数が少なく、穿孔長の短い A 班の発破パターンを参考に穿孔し、効率化を図っている。
A班

B班
孔数76個
穿孔長130m

孔数69個
穿孔長117m

図 17

支保パターン毎の穿孔エネルギー分布状況

実穿孔記録
（誘導前）

孔数72個

孔数83個
穿孔長133m

穿孔長115m
計画発破パターン

図 15

実穿孔記録と計画発破パターン（ⅡN パターン）

②地山評価
図 18

図 16 に切羽観察記録と穿孔エネルギーの関係を、図 17に支保パターン毎の穿孔エネルギー分布状況を、図 18 に穿４．まとめ孔エネルギーと岩盤強度の関係を示す。

現場実証試験における全断面追尾式穿孔誘導システム

図 16 より、切羽の肌落ちや崩落箇所と穿孔エネルギーの「ドリル NAVI」を導入した効果を以下にまとめる。

低い箇所とが比較的一致していることがわかった。

①穿孔誘導技術により、オペレータの経験や技量によらず、図 17 より、平均穿孔エネルギーは、ⅠN パターンで 1003余掘りを約 50～66%、サイクルタイムを約 15%低減できる。

3未満～300J/cm （平均 159J/cm ）、ⅡN パターンで 100～
3

穿孔エネルギーと岩盤強度の関係②地山診断技術により、日常の穿孔作業において、特別な3400J/cm（平均 283J/cm ）に分布していることがわかった。

探査時間を要することなく、高精度な地山診断ができる。

図 18 より、切羽前方探査（L=30m×1 本）で取得した穿③定期的な切羽前方探査と、日常の穿孔作業で得られる穿孔エネルギーよりも、短尺で複数の穿孔作業で取得した平孔エネルギーを様々な方法で図化することで、切羽前方、均穿孔エネルギーの方が、切羽における原位置での岩盤強切羽全面、トンネル周辺（ロックボルト孔等）を含むト度との相関性が高いことがわかった。

ンネル全長について高精度かつ詳細な地山診断ができる。

これらの結果より、日常の穿孔作業で得られる平均穿孔エネルギーは、直近切羽の地山状況を面的かつ定量的に評５．おわりに価でき、切羽の安定性を適切に把握できることがわかった。
58k000m付近

58k100m付近
切羽全体で剥離58k300m付近

現場実証試験により、全断面追尾式穿孔誘導シス

58k400m付近

肌落ちが激しい凝灰岩で剥離地質境界切羽観察

今後は、切羽観察記録、岩盤強度や計測結果等の施工データを蓄積し、穿孔データとの相関性を把握することで、支保パターンの選定精度の向上を図る

穿孔ｴﾈﾙｷﾞｰ
立体図とともに、工事完了後は、これら穿孔データを含む施工記録を CIM 化し、発注者に引き継ぐことで、山単位
J/cm3

全体的に高い値

全体的に低い値

右側が低い値

中央が低い値

天端
左側
右側
全体

岳トンネルの維持管理に活用していくことを目標としている。

平均穿孔ｴﾈﾙｷﾞｰ
分布平面図

平均穿孔ｴﾈﾙｷﾞｰ(J/cm 3)

テム「ドリル NAVI」の優れた効果を確認できた。

最後に、本技術の現場適用をご承認頂いた（独）413320
374369図 16204198
195
199

171
206
165
181

429359392393

切羽観察記録と穿孔エネルギーの関係― 6 ―鉄道建設・運輸施設整備支援機構、ならびに、共同開発者である古河ロックドリル㈱、マック㈱、カヤク・ジャパン㈱の関係各位に感謝の意を表します。