第 22 回 国土技術開発賞 優秀賞受賞

鋼製支保工建込みロボット

山岳トンネル工事の安全性・生産性向上技術〔受賞者〕 前田建設工業株式会社

古河ロックドリル株式会社を受賞した「鋼製支保工建込みロボット」を紹介します。

1.

かずひこの しろやすのり

みやはらひろ し能代 泰範
宮原 宏史

マック株式会社

以下に，第 22 回 国土技術開発賞 優秀賞

みずたに

水 谷 和彦 〔本稿執筆者〕 前田建設工業株式会社

製支保工が設置可能な「鋼製支保工建込みロボット」を開発した。
本報告では，開発した鋼製支保工建込みロボットの技術概要および導入実績について報告する。

2.

はじめに

現行の施工方法

現行の鋼製支保工建込み方法としては，オペレ
切羽肌落ち災害は山岳トンネル特有の労働災害

ーター以外の作業員は切羽直下における作業となであり，統計上，鋼製支保工建込み作業中の被災る（写真− 1）。特に，鋼製支保工脚部では支保事例が最も多いのが現状であることが報告されて工の位置合わせ作業が必要となり，最も被災リスいる。災害防止対策として，地山の緩み抑制（鏡クの高い作業である（写真− 2）。また，支保工

吹付けコンクリートや鏡ボルトなど）や岩石落下

天端部では，天端ボルト・ナット締結やつなぎ材の予測（切羽監視員の配置や切羽押出計測など），設置，溶接金網設置のために作業員が切羽に立入設備的防護対策（マット設置やマンゲージガードる作業となる（写真− 3）。など）を複合的に実施し，災害発生確率を可能な限り下げる努力をしているが，抜本的な対策とは

3.

開発技術の概要

言いにくいのが現状である。
平成 28 年 12 月に厚生労働省より通達された

鋼製支保工建込みロボットのシステム構成概略「山岳トンネル工事の切羽における肌落ち災害防図を示す（図− 1）。本技術は，鋼製支保工にマ止対策に係るガイドライン」（平成 30 年 1 月改正）

グネット装着した測量用プリズムや自動追尾型トにおいては，機械化による事故防止対策が要望さータルステーションなどで構成された「支保工位れており，そもそも切羽に作業員が立入ることが置ナビゲーションシステム」と，鋼製支保工位置なければ被災することはない。そこで我々は，切を微調整可能な「高性能エレクター」により，運羽に作業員が立入ることなく，山岳トンネル用鋼転席からの操作のみで高精度な支保工建込みを可88

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天端部の作業オペレータ
脚部の作業

2 分割された支保工を切羽に移動

写真− 1

支保工脚部移動

現行のエレクター搭載型吹付機による施工方法

目視で位置確認

写真− 2

板による高さ調整

位置確認・調整指示

バール等による微調整

現行の鋼製支保工脚部における作業フロー（切羽左側）

天端ボルトナット締結

写真− 3

つなぎ材設置

溶接金網設置現行の鋼製支保工天端部における作業フロー能とした。また，ワンタッチ式クイックジョイン

4.

トを備えた「自動建込用鋼製支保工」による天端新システムの構成と機能継手締結や支保工を把持しながらコンクリートを鋼製支保工建込みロボットは，支保工位置ナビ吹付けることにより，作業員の切羽立入りを不要にする。
支保工建込み作業における標準的な施工では，少なくともオペレーター 1 名と切羽に立入る作業

ゲーションシステム，高性能エレクター，自動建込用鋼製支保工で構成される。以下，各機能について説明する。

員 4 名が必要となるが，本技術の導入により，切羽直下に作業員が立入ることなく，オペレーター⑴

鋼製支保工位置ナビゲーションシステム

1 名による機械作業での対応が可能となるため，鋼製支保工位置ナビゲーションは，ロボット本省人化と施工サイクル短縮による生産性向上を実

体姿勢測定機能，鋼製支保工角度表示機能，測量現するとともに，切羽肌落ち災害撲滅が期待でき用プリズムによる鋼製支保工位置の詳細表示機能る。

で構成される。
①

ロボット本体姿勢測定機能
ロボットに給電すると，自動追尾型トータルス

テーションによりロボット本体の位置を自動計測
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図− 1

鋼製支保工建込みロボットのシステム構成概略図

写真− 4

写真− 5

マシン姿勢測定機能

運転席およびナビゲーション画面

する（写真− 4）。

面でリアルタイムに把握できる（写真− 5）。

②③

鋼製支保工角度表示機能
ロボット本体の姿勢とブームセンサデータとを合成計算し，エレクター位置をナビゲーション画

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測量用プリズムによる鋼製支保工位置詳細表
示機能
トンネル線形管理については，従来施工で用い2021 年 1 月号

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※紺色で囲んだ箇所は，画面上では赤色で表示されています。

写真− 6

測量用プリズムによる鋼製支保工位置の詳細表示ている掘削管理システムを基本とし，鋼製支保工へのミラー設置位置などの初期設定を事前入力する。鋼製支保工を仮置きしている時点で，所定の位置に測量用プリズムをマグネット装着し，本機能を用いてミリ精度の位置合わせを行うことができる。カラーバーにより，設計値と実測値の差分

写真− 7

クランプ部のスライド機構を視覚的に把握することができる（写真− 6）。
⑵

高性能エレクター
エレクター操作には，微調整可能な微速モード切替スイッチを装備し，鋼製支保工を把持したま
ま前後移動が可能なスライド機構を新たに設けた（写真− 7）。また，クランプ姿勢を把握するた図− 2

各関節のブームセンサー位置図

め，各関節に姿勢を把握するためのセンサー（ブームセンサー）を内蔵した（図− 2）。
⑶

自動建込用鋼製支保工
従来の作業員による天端ボルト・ナット締結をなくすことを目的に，エレクター操作のみで締結可能なクイックジョイント（写真− 8）を鋼製支

写真− 8

クイックジョイント

保工に溶接設置した（図− 3）。クイックジョイ
ントは，シールドセグメント用に開発した継手であり，目開きが発生しにくい構造となり，締結部の品質確保にも寄与する。

5.

現場導入

現場での試験施工を複数回繰り返し，鋼製支保工建込みロボットによる作業手順を次のように決

図− 3天端締結概念図

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定した（今回は，最初に右側鋼製支保工の位置合わせ，次に左側鋼製支保工の位置合わせをすることとした）。
⑴

準備工
架台に仮置きしている鋼製支保工をエレクターアームにて把持して待機場所に停車する。エレク
ターアームにて把持している鋼製支保工に，溶接金網を溶接により固定する（写真− 9）。また，

写真− 9

溶接金網取付完了

左右鋼製支保工脚部と右側鋼製支保工天端部に測量用プリズムをマグネット装着する。
⑵

鋼製支保工建込みロボット移動
掘削が完了した後，エレクターアームにて鋼製支保工を把持した状態で，支保工建込みロボットを機械待機場所から切羽に移動する。
⑶

一次吹付けコンクリート
最初に位置合わせを実施する右側素掘り面よ

写真− 10右側鋼製支保工位置合わせ状況

り，一次吹付けコンクリートを施す。
エレクターアームで把持⑷右側鋼製支保工位置合わせオペレーターは運転席のナビゲーション画面を見ながら，右側鋼製支保工脚部と右側鋼製支保工天端部の位置合わせを行う（写真− 10）。位置合わせ完了後，作業員が切羽直下に立入らないように，網付きの棒により測量用プリズムを回収する。
⑸

右側鋼製支保工脚部二次吹付けコンクリート

位置合わせ完了後，エレクターアーム下まで吹付けコンクリートを施工

写真− 11

右側鋼製支保工脚部固定状況

エレクターアームにて把持した状態で，右側鋼製支保工のエレクターアーム下まで吹付けコンクリートにて固定する（写真− 11）
。
⑹

天端締結

鋼製支保工天端締結

クイックジョイントにより，左右鋼製支保工の天端部を締結する（写真− 12）。
⑺左側鋼製支保工位置合わせオペレーターは運転席のナビゲーション画面を見ながら，左側鋼製支保工脚部の位置合わせを行92

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写真− 12左側鋼製支保工位置合わせ状況

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う。位置合わせ完了後，測量用プリズムは回収す業していたが，ワンタッチ式クイックジョイントる。

による天端継手締結や金網と転倒防止用アンカーを事前設置した鋼製支保工を把持しながらコンク⑻

左側鋼製支保工脚部二次吹付けコンクリート
エレクターアームにて把持した状態で，左側鋼リートを吹付けることで，作業員の切羽立入りを不要にした。

製支保工のエレクターアーム下まで吹付けコンクリートにて固定する（写真− 13）。左右のエレク⑵

鋼製支保工建込み作業における省人化ターアームを解除し，建込み完了。その後，天端標準的な施工では，オペレーター 1 名と切羽に部二次吹付けコンクリートを施す（写真− 14）。

立入る作業員 4 名が必要となるが，オペレーター
1 名で鋼製支保工の位置合わせ作業が可能となった。

エレクターアームで把持⑶施工サイクルの短縮
人力で行っていた位置合わせ作業の ICT を活用した機械化，金網などの現場設置作業の省略，吹付けコンクリートと鋼製支保工建込み作業の並行作業により，通常施工スピードの約 1/3 で鋼製位置合わせ完了後，エレクターアーム下まで吹付けコンクリートを施工

写真− 13

支保工建込みが可能になった。

左側鋼製支保工脚部固定状況⑷

鋼製支保工建込み精度の向上
人力・目視で行っていた鋼製支保工の位置合わ

せ 作 業 に ICT を 活 用 し て 機 械 化 す る こ と に より，建込み精度が向上し，特に従来の定尺長のつなぎ材を省略することにより，カーブ区間における建込み精度が向上した。

7.
写真− 14

天端部二次吹付けコンクリート状況

おわりに

鋼製支保工建込み時の切羽立入り作業がゼロとなり，建込み時の切羽肌落ち災害に対する安全性を格段に向上させることができた。また，鋼製支保工建込み作業の省人化と施工サイクル短縮によ

6.

本技術の導入効果

る生産性向上，高精度建込みによる品質向上を実現できた。

現場試験の結果，以下の効果が確認できた。

本技術は，ナビゲーション技術を活用したマシンガイダンス技術であり，現状はオペレーター操⑴

鋼製支保工建込み作業における切羽立入り作作の技量が必要になる。今後は，熟練していない業ゼロを達成

作業員でも施工可能な完全自動化技術の構築を目標準施工では切羽に 4 名の作業員が立入って作指す。

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