山岳トンネル工事における最適発破自動設計施工システムを開発

清水建設（株）＜社長 井上和幸＞はこのほど、古河ロックドリル（株）、（株）演算工房、（株）ジャペックスと共同で、山岳トンネル工事における発破作業の生産性向上を目的に、地山の性状に合わせた最適な発破パターンの自動設計施工システムを開発しました。このシステムは、当社が開発を進めるICT、IoT、AIなどの最新技術を活用した次世代型トンネル構築システム「シミズスマートトンネル」の要素技術の一つです。このシステムでは、フルオートコンピュータジャンボで自動計測した穿孔時のエネルギー変化を基に、地山の硬軟を可視化し、最適な発破パターンを導出します。また、発破パターンを基に作成する穿孔プランを、プログラミング制御が可能なコンピュータジャンボに取り込むことで、自動施工が可能です。

発破掘削による山岳トンネル工事では、トンネル設計断面に対して必要量以上に掘削する余掘りや、掘削が不十分なアタリが発生します。これらは、サイクルタイムやコストの増加だけでなく、品質や耐久性にも大きな影響を与えるため、最小限に抑える必要があります。従来、発破精度に影響する穿孔本数や位置、火薬の装薬量といった発破パターンの設計は、熟練技能者が経験と感覚を頼りに行っていました。しかし、近年、熟練技能者不足が急速に進んでおり、データに基づく再現性のある設計手法の確立が求められています。

当社が開発した最適発破自動設計施工システムは、まず、前サイクルの穿孔時にコンピュータジャンボが自動収集した穿孔エネルギー値を基に切羽面の地山性状をサイバー空間で自動解析し、地山の硬軟分布に応じた最適な発破パターンを自動作成します。発破パターンは、切羽面を5分割したゾーン図に表示され、領域ごとに最適な穿孔数と装薬量が割り当てられます。掘削前にドリルジャンボブームの動線シミュレーションを行い、ブームが相互干渉しないよう穿孔順序を設定すれば、最適な発破設計に基づくフルオート穿孔の準備が整います。

システムの適用効果については、東海北陸自動車道真木トンネル工事（発注者：中日本高速道路（株））で実施した実証試験で確認済みです。同工事では、システム適用によってアタリ量の平均値が69.3%減少し、余掘り量も41.4％減少しました。また、火薬使用量も7%削減できました。これらの効果によりサイクルタイム・施工コストの大幅な削減とともに、トンネル掘削面の平滑化などトンネルの品質、耐久性の向上が見込めます。

当社は今後、複数の国内トンネル工事への本技術の適用を予定しており、山岳トンネルの標準技術として広く展開していきます。