建設機械施工 Vol.65

No.933September 2013

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専門工事業者による機械土工の施工計画
岡本直樹

機械土工の施工計画について，専門工事業者による作成方法を体系的に紹介する。まず，作成プロセスを運土計画から機械計画，工程計画の 3 段階に分けて，そのワークフローに沿って解説する。運土計画では，運土形態を線土工・面土工・塊土工に分類し，それぞれの土量計算法・土量配分法等を説明する。機械計画では組合せと機種選定や必要延台数等について，工程計画では機械の延台数の利用と山積／山崩について述べ，最後に機械土工の CIM 的な話題についても触れる。
キーワード：‌機械土工，施工計画，運土計画，土量配分計画，組合せ機械，機種選定，シミュレーション，DTM，DEM，CIM

1. はじめに

この度，日本機械土工協会が主催する登録機械土工
基幹技能者講習の受講者の増加と更新時期を迎え，テ近年，書店の土木コーナーが消滅しつつあり，土木キストも改訂 1）することとなった。また，発注者・コ図書の出版も減少している。少なくなった機械土工のンサル・ゼネンコン等からの実務的な質問や問い合わ

施工計画に関する参考図書も，内容的に古いままで硬せが近頃多いので，専門工事業者による施工計画の組直化していて，実際的でない記述も多々見られる。

立方をテキストからも引用しつつ体系的に紹介する。

2. 施工計画のプロセス
施工計画作成プロセスを概説すると，図面・仕様書等の設計図書から工事概要を把握した後，概ね，図─ 1のような流れで施工計画の作成を進めていく。
まず，原地形図と造成計画図の差分から土量計算を行い，土量分布を把握してから，最適な土量配分を行う。ここで地形図を DTM（図─ 2）化しておくと後の作業が容易である。次に搬土走路を設定して，距離別搬土量を求める。これらに組合せ機械を選定し，そ図─ 1

施工計画のワークフロー

図─ 2

DTM の概念図

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れぞれの機械能力計算から必要延台数を求める。このNetwork：不整三角網）によるモデリングが一般的と延台数を工種別工程に機械を割付けて山積／山崩を行なっている。図─ 4 は，原石山付近を俯瞰した等高い，機械投入計画を作成する。最後に機械経費等を積線 TIN モデルの例で，工事用道路上には重ダンプを算し，見積や実行予算書を仕上げる。

配置している。これにスムーズシェーディングを施すと陰影のある CG 鳥瞰図ができる。

3．運土計画（3）土量計算と土量分布図（1）運土形態

土量計算と土量配分は前述のように土工形態に適し土工事を分類すると，運土形態から線土工，面土工，た方法を選ぶ。土量計算には線土工では線状の土量を塊土工に大別できる。道路・鉄道・堤防等の工事のよ捉え易い平均断面法，面土工では面状の土量把握に便うな線状の運土工は線土工，宅地造成や敷地造成の多利なメッシュ法（柱状法）を用いる。塊土工は塊状なくは面状の運土となるので面土工である。また，フィので，採石計画や堤体盛立計画のように施工進捗に合ルダム工事の原石山・コア山・ダム堤体等のような，わせて，標高毎の土量把握が行える等高線法が便利な

塊状の離散分布は塊土工（マッシブな土工）になる。

場合が多い（図─ 5）。

それぞれの運土形態には，各々適した土量計算法と土量配分法がある。
（2）DTM
まず，地形図は情報処理に適した DTM（DigitalTerrain Model）として数値化する。
地形図の一次地形情報には，等高線，断面図，格子点標高，ランダム点標高等があり，それらから図─ 3のような数値標高モデル（DEM：Digital ElevationModel）を作成するが，相互変換も可能である。近年

図─ 5

土量計算の模式図

ではレンダリングに適した TIN（Triangulated Irregular（4）土量配分法 6）①線土工の土量配分
線土工では，よく知られているマスカーブ（土積図）を利用して土量配分を行う。マスカーブは Excel で土積計算を行い，グラフ機能を利用して描き，平衡線を加えれば簡単に土量配分ができる（図─ 6）。

図─ 3各種の DEM8）

図─ 6

マスカーブによる土量配分②面土工の土量配分
図─ 4等高線 TIN によるモデリング例

面土工のような 2 次元的な拡がりをもつ運土形態で

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No.935September 2013の土量配分では，マスカーブ手法が利用できない。こ（5）工事用道路（図─ 9）のような土量配分は，輸送問題として線形計画法で最①線形設定適化する。図─ 7 の例では，メッシュブロック m × n3

土量配分が決まると工事用道路を設定する。経路の個間の運土の総仕事量 Wd（m ・m）の最小化を図っ

線形は，土取場と盛場の空間的位置関係と地形，機械ている。

性能等を考慮して決定する。特に縦断線形では，牽引Σ ΣV ・D （m ・m）

Wd ＝ minmi＝1nij

j＝1ij

3Vij：各ブロックの土量力と制動力（図─ 17）に配慮する。スクレーパ工法
では経路設定のみで特段に工事用道路設計を行う必要性は少ないが，ダンプトラックの運搬で本格的な工事

Dij：各ブロック間距離用道路を造成する場合は，工事用道路設計 5）を行う。

図─ 7 の運土矢線は最短直線距離を示しているだ②工事用道路設計

けなので，運土経路を考慮した実走行距離に置き直す

工事用道路の設計は，専用の 3D-CAD を用いて行必要がある。ソフトウェアで運土経路や経路障害を設うと容易である。走路線形は，土量配分計画を基に地定して，実際的な迂回矢線を描くことも可能である。

形や設計速度を勘案して，縦断勾配・曲率・視距等に配慮して計画する。工事用道路の基本諸元は，道路幅員を車両全幅の 3.5 倍以上，縦断勾配 10％以下，最小曲率半径 50 m 以上，片勾配は 4％程度等とする。

図─ 9

図─ 7

面土工の運土矢線図③材料フロー図（図─ 8）
塊土工は，フィルダム工事や採石工事が代表的で，工事用道路図─ 10 は CAD で作成した取付道路を示している。
3D モデルの表面には，レンダリングの他にテクスチャマッピングで図のような平面図や航空写真等を張付けることができる。

材料をグリズリ等で選別して仮置き後に利用したりして，2 次・3 次運搬が発生する。このように煩雑な経路となる場合は，運土の流れを材料フロー図として表す。

図─ 10工事用道路の取付け例③距離別搬土量
搬土経路を考慮した土量配分計画から距離別搬土量
図─ 8

材料フロー図を求め一覧表にまとめる。この距離別搬土量を基に組建設機械施工 Vol.65

36合せ機械をセットして作業能力を求める。

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2013の土質に対する適応性と締固能力を調査する。

4．機械計画（1）組合せと機種選定
機械土工は，切盛に伴う連続したダイナミックな作業であり，図─ 11 のように掘削・積込・運搬・敷均・①掘削性 Excavatability
岩掘削工法の適用範囲は概ね図─ 13 のようになる。

転圧を繰返す，組合せ作業となる。

図─ 11  機械土工の作業施工法は，大きく分けてスクレーパ工法とショベル＆ダンプトラック工法に分類でき，一般的には図─12 のような組合せから機種を選択する。
図─ 13

岩掘削法の適用

軟岩掘削では，リッパビリティを弾性波速度で示すが，大型バックホウの場合も同様に図─ 14 のような掘削性を調べて判断することができる。他の機種でも同様な掘削性資料を選定の参考にする。

図─ 12

機械土工の組合せ

まず，工程が要求する施工速度（m3 ／月）からメイン機種の選定を行う。基本的にショベル＆ダンプト
ラック工法では積込機を最初に決定し，スクレーパ工法では条件にあったスクレーパの機種を選ぶ。残りのセット機械は，メイン機械の作業能力に合わせて機種を選定する。

図─ 14

大型バックホウの掘削性

作業能力以外には，それぞれの作業での適合性，即ち施工性を考慮する必要がある。その施工性をそれぞ②積込性 Loadability

れの作業に対応して分解すると，掘削性・積込性・運ローダの選定では，バケット幅を運搬機の荷台幅の搬性・締固性となる。従って，掘削作業では掘削性を3/4 以下とし，図─ 15 のようにダンピングクリアラ検討し，掘削能力やリッパビリティ等を調べ，積込作ンス等の運搬機とのマッチングを考慮する。また，破業では積込性として，積込材料の粒径や運搬機との砕岩の粒径による積込み性の違いやローディング法のマッチングをチェックする。運搬機では，運搬距離の長短も理解しておく。

経済性の他にトラフィカビリティ，牽引力等の登坂性にも配慮し，締固作業では締固性を検討し，締固機械

バックホウ積込みでは，積込み位置と旋回角度等を考慮する。

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（DT）との組合せ作業になるので，作業能力算定において q を別々に設定して計算すると整合性がとれなくなる。そこで，DT の積載量 qh を基準に，その積載量 qh を満たすために必要な積込み回数を設定して，積込み能力を算定するとよい。
図─ 15

積込機の組合せ

Q＝3600 × qh × f × E
Cs × n

Q ：積込機の作業能力（m3/h）③運搬性 Haulability
搬土機械については経済的搬土距離を考慮して，使qh ：ダンプトラックの積載量用する機種を決定する。適用範囲は概ね図─ 16 のよf ：土量換算係数

うになる。

E ：積込機の作業効率
Cs ：一杯の積込サイクルタイム（秒／杯）
n ：積込回数（杯／台）③走行シミュレーション
搬土機械の作業能力は，平均走行速度から求める方法が一般的であるが，アップダウン等の変化に富む走路の場合には，牽引力と制動力（図─ 17）から走行速度を合理的に求めて，サイクルタイムを決定する走行シミュレーション 10） を利用できる。また，これは設計した工事用道路の評価にも利用できる。
図─ 16

経済的搬土距離④待ち行列の考慮
組合せ機械の施工においては，積込場や盛場で積込走路の縦断勾配と走行速度の関係は，図─ 17 のよ待ちやダンプアップ待ちの行列が発生する。DT の所

うな牽引力曲線やブレーキ性能曲線から求めることが要台数を決定する場合，通常の作業量算定式で計算をできる。また，長距離高速運転する場合は，タイヤの行うと図─ 18 のグラフの実線のように，DT の台数ヒートセパレーションにも配慮する必要がある。

増加に比例して搬土量（グラフではショベル効率で表示）は直線的に増加し，積込機の作業能力を限界として頭打ちとなる。しかし，実際に DT の台数を変化させて運搬量を測定すると破線のような曲線になる。増車に伴って待ち行列が発生するからである。
搬土機械の待ち行列モデル 7） は循環型待ち行列となり，その確率分布はアーラン分布となる。待ち行列

図─ 17牽引力とブレーキ性能曲線（2）作業能力の算定①組合せ作業能力
ショベル＆ダンプトラック工法では，基本的に積込機の能力に見合うセット機械を選定する。従って，セット機械は同一以上の能力を求められ，セット機械の組合せ能力は積込機の能力と同じになる。多少の能力差は稼働時間で調整できる。
②積込機の作業能力計算
積込み作業は単独作業ではなく，ダンプトラック

図─ 18

DT 台数と待ち行列

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シミュレーションを利用すれば，より正確なサイクルタイムや所要台数の決定に利用できる。
また，運行経路上の交差点や離合箇所で待ち行列が発生する場合のサイクルタイムや所要台数の算定にも有効である。このプログラミングにはシミュレーション言語（SLAM Ⅱ等）を用いたが，近年ではパソコン用の簡易ソフトウェア（図─ 19）が利用できる。

図─ 19

簡易ソフトによるモデリング例
図─ 20⑤必要延台数

山積／山崩

工種別の組合せ機械セットが決まると，工種毎の各機械の必要延台数を求めておく。

質はモデリングが難しいので，地質構造をソリッドモデルとして埋込み，属性情報として地質・土質データ

5．工程計画をもたせたい。その他に施工段階を迅速に検討できる
4D-CAD 機能が望まれる。

工程計画では，最初に工期と気象データや環境制約から施工速度（m3 ／月）と稼働日数を求めておき，（1）施工段階図

機械計画での機種選定と必要延台数の算定に供した。

3D-CAD で作成したモデルは，鳥瞰図や完成パースを自由な視点で表示でき，ウォークスルー機能で自由（1）必要延台数の利用に動き回ることもできる。また，レイトレーシング等

機械土工の工程計画は，工種別工程に機械を割付けの高描写画像や重機稼働は，コマ落としによりアニることである。そのために機械計画で求めた必要延台メーション化が図れる。ウォークスルー機能も時間軸数を利用して，工種別工程表に機械を展開する。の一種であるが，工程を加味した 4D 機能が望まれる。施工計画では施工段階図を作成し，切羽展開や取（2）山積／山崩付道の検討を行うが，この作業に図─ 21 のような地工種別工程表に機械を割付けると機種別投入台数の形 3D-CAD を利用すると曖昧さがなくなり，早期に合計にムラができる。機械台数のムラは工程途中の搬より実際的な検討（フロントローディング）が行える。

入出を増加させるので，投入台数の平準化が求められしかし，3D-CAD を利用しても力仕事となり，効率化る。そこで山崩を行う。山崩は，図─ 20 のように最を図りたいが，自動化が難しいプロセスである。

早開始工程と最遅開始工程の間で調整する。

6．CIM について
近年，建築の BIM（Building Information Modeling）に 刺 激 さ れ て， 土 木 分 野 で も CIM（ConstructionInformation Modeling）の導入が検討されている。機械土工の施工計画の作成においては，前述のように3D-CAD 等を活用している。地形 CAD はサーフェスモデルで，地層は多層化して表現できるが，複雑な地

図─ 21

施工段階図

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近年，実際の施工段階での出来形測量に 3D レーザ

7．おわりにスキャナや写真測量解析の利用が容易になってきている。特に最近の技術革新により，廉価な自律型マルチ

最近の土工事に関する参考書は，土工を静的というコプタ等の小型 UAV（無人航空機）による航空写真

か，切土や盛土構造物としての捉え方が多く，ダイナ測量が可能となり，高精度な現況地形モデリングによミックに連続した切盛作業として捉えたものが殆どなる照査が行え，残工事の施工計画の再検討に利用できくなっている。また，近年の官側の積算は簡素化が図るようになった。

られ，作業量算定式等が明示されなくなり，応用が利施工法の検討や施工の進捗をリアルに表現するにかなくなっている。道路土工指針の今回の改訂でも施は，地形の施工シミュレーションと重機稼働表示が不工指針が廃され，機械土工の記述が減少している。

可 欠 で あ ろ う。 究 極 的 に は，VR（Virtual Reality）

官積とは積算方式や施工計画の組立方に違いがあるや AR（拡張現実感），MR（複合現実感）の仮想空間が，専門工事業者による実際的な機械土工の施工計画に入り込み，仮想体験的に施工検討を行えることであ作成法を紹介した。幾ばくかの参考になれば幸いである。技術的には現在技術で実現可能であるが，非効率る。紙幅の関係で概要しか記せなかったが，詳細は以なモデリングとコストが課題である。

下の参考文献等を参照して頂きたい。

（2）重機稼働アニメーション
図─ 22 は CG で作成した重機の例である。重機稼働のアニメーション 9）は，図─ 23 のように関節を可動にしておけば，コマ落としで作成できるが，多彩なシナリオが求められる。

図─ 22

図─ 23

CG 建機

重機アニメーション《参 考 文 献》
1）日機協，登録機械土工基幹技能者テキスト，2013.5
2）岡本，連載 土工機械の話 1 ～ 6，月刊土木施工 2009.7 ～ 12，インデックス出版
3）岡本：デジタルアースムービングによる施工計画，建設機械，日本工業出版，2009.11
4）岡本：デジタルアースムービング，建設の施工企画，JCMA，2009.3
5）岡本：工事用道路の設計と安全，建設の施工企画，JCMA，2008.7
6）岡本：4 章 土量配分計画，環境土構造工学（1），電気書院，2006.4
7）岡本：情報化土工，環境土構造工学（2），電気書院，2005.11
8）村井俊治：空間情報工学，日本測量協会，2002.8
9）岡本・田中：重機稼働アニメーションについて，第 17 回土木情報ジ
ンポジウム講演集 1992.10
10）岡本・大下：搬土機械の走行シミュレーションにおける走行速度の合理的決定法，第 9 回建設マネジメント問題に関する研究会・討論講演
集，1991.12
11）「土工教室」http://www.yamazaki.co.jp/data/school/edc.htm12）「土工塾」http://hw001.spaaqs.ne.jp/geomover/index.htm［筆者紹介］
岡本 直樹（おかもと なおき）
（一社）日本機械土工協会
講習委員会 専門テキスト作成部会
座長