山岳トンネル工事における吹付けコンクリートの自動施工技術を開発

写真1：自動化改造した吹付け機(左：側面図、右：正面図)

図1：吹付けコンクリートの自動施工技術を構成する3つのプログラム

写真2：模擬トンネルにおける実証試験の状況

安藤ハザマ(本社：東京都港区、代表取締役社長：国谷 一彦)は、ICTにより山岳トンネル工事の生産性、安全性を大幅に高める取り組みとして「山岳トンネル統合型掘削管理システム(i-NATM(R))」の開発を推進しています(注1)。この度、山岳トンネル工事の無人化の実現に向けた新たな技術開発の取り組みとして、吹付けコンクリートの自動施工技術を、ニシオティーアンドエム株式会社(本社：大阪府高槻市、代表取締役社長：北 俊介)と共同で開発しました(写真1)。

画像1: https://www.atpress.ne.jp/releases/417181/LL_img_417181_1.jpg
写真1：自動化改造した吹付け機(左：側面図、右：正面図)

1. 開発の背景
山岳トンネル工事の切羽作業は、熟練作業員の技能への依存度が高く、さまざまな作業を熟練作業員の経験と感覚に頼っています。一方で、少子高齢化に起因する熟練作業員の減少や新規入職者の不足といった問題も抱えており、限られた時間で工事の生産性を確保していくことが期待されています。また、吹付けコンクリート作業で発生する粉じんによる労働環境の改善も課題となっています。
このような背景のもと、「省人化、省力化による生産性向上」「熟練作業員の技能に依存しない施工方法の確立」「労働環境の改善」を目的に、本技術を開発しました。


2. 吹付けコンクリートの自動施工技術の特長
オペレータは吹付け機本体に付属するタブレットの簡単な操作のみで、吹付けコンクリートを自動で施工することができます。なお、本技術は以下の3つのプログラムから構成されています(図1)。

(1) 切羽出来形取得プログラム
吹付け機前方に設置したLiDARを用いて取得した切羽の三次元データをもとに、吹付けコンクリートの必要数量を算出します。また、吹付けコンクリート施工前後の三次元データの差分から、吹付けコンクリートの厚さを特定し、吹付けコンクリートの出来形を確認します。

(2) 位置情報演算処理プログラム
(1) の切羽出来形取得プログラムにて取得した三次元データをもとに、吹付けコンクリートの施工範囲を選択し、自動で施工するための吹付けノズルのルートを算出します。さらに、算出したルートをもとに吹付けノズル先端の位置目標を決定し、吹付けノズルの角度と位置を制御します。

(3) 油圧制御プログラム
(2) の位置情報演算処理プログラムにおいて決定した吹付けノズル先端の位置目標をもとに、吹付け可能範囲を判定し、吹付けロボットの油圧制御を行います。吹付け機の油圧回路に比例電磁弁を追加し、コントローラからの出力電流を可変させることで、各アクチュエータ(エネルギーを機械的な往復運動や回転運動に変換する装置)の速度、ストロークをコントロールします。

画像2: https://www.atpress.ne.jp/releases/417181/LL_img_417181_2.jpg
図1：吹付けコンクリートの自動施工技術を構成する3つのプログラム

3. 実証試験
模擬トンネルを用いて本技術の実証試験を行いました(写真2)。実証試験の結果、「吹付けコンクリートの必要数量の算出」「吹付けコンクリートの自動施工」「吹付けコンクリート施工後の厚さの特定」など、本技術が有する一連の機能が想定どおりに動作することを確認しました。

画像3: https://www.atpress.ne.jp/releases/417181/LL_img_417181_3.jpg
写真2：模擬トンネルにおける実証試験の状況

4. 今後の展開
今年度中に本技術を、当社が施工中の山岳トンネル現場に適用する予定です。そして、将来的な山岳トンネル施工の完全無人化を目標として、引き続き、技術開発を推進していきます。


(注1)山岳トンネル統合型掘削管理システム(i-NATM(R))
自動化、遠隔化技術を活用して施工技術の高度化を図るとともに、施工情報を集中管理するプラットフォームを構築し、山岳トンネル施工の抜本的な合理化を進めるもの。これまでに開発した技術は「ドリルジャンボの遠隔操作技術」や「発破の高度化技術を活用した穿孔作業の完全自動化」など。

「ドリルジャンボの遠隔操作技術」安藤ハザマ2019年11月19日リリース資料を参照
https://www.ad-hzm.co.jp/info/2019/20191119.php

「発破の高度化技術を活用した穿孔作業の完全自動化」安藤ハザマ2021年10月18日リリース資料を参照
https://www.ad-hzm.co.jp/info/2021/20211018.php