高速3顿スキャナを用いた「切羽掘削形状モニタリングシステム」の现场试行　－トンネル掘削の余掘り?余吹きを20%低减－

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高速3顿スキャナを用いた「切羽掘削形状モニタリングシステム」の现场试行　－トンネル掘削の余掘り?余吹きを20%低减－

お知らせ2020年08月21日

当社と株式会社ビュープラス（社长：桑岛茂纯）、ジオマシンエンジニアリング株式会社（社长：塚田纯一）は、山岳トンネル切羽掘削面の整形作业の安全性向上と効率化を目的として2019年２月に开発した「切羽掘削形状モニタリングシステム」の现场试行を木原道路内畠トンネル工事で実施し、トンネル掘削の余掘り?余吹きの20%低减を确认しました。
なお、当技术は国土交通省の令和元年度建設現場の生産性を飛躍的に向上するための革新的技术の導入?活用に関するプロジェクト試行技术に採用されました。

■背景
山岳トンネル掘削の最先端部である切羽においては、発破后に掘削设计断面线よりも内空侧に残った地山を掘削する整形作业（以下、あたり取り）が行われます。これまで、あたり取りの际は作业员が切羽直下に立入り、目视にて整形が必要な箇所（以下、あたり箇所）を判断してレーザーポインター等で重机オペレータに指示を出していました（図1参照）。
しかし、切羽は地山が露出しており、岩块の抜け落ち（肌落ち）がひとたび発生すると、死伤灾害につながる可能性が高い危険な场所であり、厚生労働省からも「山岳トンネル工事の切羽における肌落ち灾害防止対策に係るガイドライン」において、切羽への原则立入禁止が示されています。
そこで、当社ではあたり取り作业における安全性の向上と効率化を目的に、高速3顿スキャナを使用して切羽掘削断面を计测し、设计断面と比较することであたり箇所を迅速に可视化する『掘削形状モニタリングシステム』を开発し（図2参照）、システムの现场试行を広岛県叁原市で施工中の木原道路内畠トンネル工事にて行いました。

■概要
本システムでは、発破?ずり出し完了后の切羽において、あたり取りを行うブレーカ等の重机に搭载した高速3顿スキャナで切羽の掘削形状を计测します（図3参照）。掘削形状の点群データと设计断面を比较し、设计断面线よりも内空侧に残ったあたり箇所を重机キャビン内のモニターにヒートマップ表示（図4参照）させることにより、重机のオペレータが容易にあたり箇所を确认することができます。重机のオペレータは运転席モニター画面のヒートマップ表示を基にあたり作业を行うため、従来のように作业员が切羽直下に立入り、目视にてあたり箇所を确认する必要がありません。
高速3顿スキャナが、任意に配置した后方の特殊基準球を自动で探索することで、トータルステーションとの连动が不要となり计测时间を大幅に短缩しています。运転席モニター画面から计测开始の指令を出して、结果が表示されるまで50秒程度であり、掘削サイクルに影响を与えることなく、効率的なあたり作业を実现します。
また、切羽で取得した掘削形状の点群データから余掘り量を毎切羽毎に算出し、発破パターンの见直しを行うことで、掘削余掘り量を最小化することが可能です。现场での検証の结果、余掘り?余吹き量を最大でシステム导入前と比较して20%削减することが出来ました。
また、予定吹付コンクリート量や掘削土量などの各种施工データはトンネル坑内ネットワークを経由して、クラウドサーバーに送られ、関係者がどこからでもアクセス可能であり（図5参照）、现场コンクリートプラントで製造される吹付コンクリートの余り、いわゆる残コンの削减にも寄与します。
　
现场试行で得られた成果を以下にまとめます。

●安全性の向上
本技术では3Dスキャナをあたり取りを行う重機に搭載することで、作業員や監督職員が切羽直下に立入ることなく、重機運転席で安全にあたり箇所の確認およびあたり取りを行うことが可能となった。　　　
●あたり箇所の可视化
あたり箇所の判断はこれまで熟练作业员による目视确认による定性的なものであり、余掘りが増加する倾向にあった。3顿スキャナで切羽の掘削形状を计测し、3次元点群データとトンネル线形情报、设计断面情报を基に可视化することで、定量的にあたり箇所を把握することが可能となった。
●迅速な计测
高速3顿スキャナをブレーカに搭载することで、自己位置推定に约35秒、切羽の掘削形状の计测から结果の表示までに约15秒、合わせて50秒程度で计测が完了するため、効率的なあたり取り作业が可能。
●余掘り?余吹きの低减
切羽掘削形状の点群データから算出される余掘り量を毎切羽毎に算出し、発破パターンの见直しを行うことで、余掘りの少ない効率的な発破掘削が可能です。また、予定吹付コンクリート量を现场バッチャープラントと共有することで、残コンの発生を抑制可能です。検証の结果、システム导入前と比较して余掘り?余吹きを约20%低减することが出来た。
●高い汎用性
架台等一部を除き市贩品にてシステムを构成し、汎用重机に后付け可能なため、汎用性の高いシステムです。