熊谷組、山岳トンネル工事の切羽でボルト挿入から定着までを無人化：スマートコンストラクション

熊谷組は、山岳トンネル工事の切羽作業で、ボルト挿入から定着作業までを無人化するシステムを開発した。システムでは、ボルト挿入と高水圧ポンプによるロックボルト拡張を、汎用ドリルジャンボに取り付ける専用治具で機械化し、人力作業を介さない一連の作業とした。

[BUILT]

　熊谷組は2023年10月24日、山岳トンネル工事の切羽作業を無人化する一環で、鋼管膨張型ロックボルト「RPEロックボルト」を利用した機械打設システムをケー・エフ・シーの協力を得て開発したと発表した。

30〜40秒でボルト挿入、90秒で打設完了

　熊谷組では2015年から、山岳トンネルの切羽作業に関し、効率化や省力化、安全性の向上を目的に、施工サイクル一連の遠隔化や自動化を目指して技術開発に取り組んでいる。これまでに、長崎県雲仙普賢岳や阿蘇斜面の災害復旧工事で、無人化施工技術を取り入れ、既往の技術の改良を行いながら開発を進めている。

　一般的にロックボルトの打設作業は、人力による苦渋作業かつ切羽近傍の高所での危険を伴う。そこで、ロックボルトの施工性の向上を目的として、ボルト挿入から定着作業までを機械化するシステムを開発し、試験施工を行った。

人力による注水拡張作業　出典：熊谷組プレスリリース

　今回の開発対象としたロックボルトは、一般的に用いられているモルタルなどによる定着材式ではなく、主に湧水対策や早期の支保性能発揮を期待する場合に用いられる鋼管膨張型ロックボルト「RPEロックボルト」を採用。従来通り、ドリルジャンボによるロックボルト孔の削孔後に、ボルトの挿入と高水圧ポンプによるロックボルトの拡張作業を専用治具により機械化し、人力作業を介さない一連の作業とした。

　RPEロックボルトの機械打設のために、注水用専用取付け治具と水圧制御ユニット、専用セントラライザを新開発している。

　このうち、注水用専用取付け治具は、ボルト拡張のための注水ヘッドとボルト挿入のための角度調整用バネ（2カ所）で構成し、ドリフタに連結する。専用治具の注水ヘッドにボルトをセットし、水圧でボルトを把持し、ボルトを挿入する。角度調整用バネを2カ所設けることで、削孔した孔中心と挿入するボルトの軸心を一致させ、ボルト挿入や注水拡張作業をスムーズかつ正確に行える。

注水用専用取付け治具　出典：熊谷組プレスリリース

　ボルト把持のための水圧は、RPEロックボルトの拡張に必要な水圧（通常25メガパスカル、MPa）より小さく、ボルト拡張が生じずにボルト把持が確実に行える水圧（10MPa）とした。

　また、水圧制御ユニットは、通常の高水圧ポンプに接続することで10MPaでも水圧を保持できる機構を備えている。そのため、10MPaと25MPaの2段階の水圧に設定できる。

水圧制御ユニット　出典：熊谷組プレスリリース

　注水によるボルト拡張作業は、ドリルジャンボの操作室で削孔やボルト挿入を終えたオペレーターがリモコン操作で行えるので、地上でロックボルトをドリフタにセットする作業員とドリルジャンボのオペレーターの2人で打設作業を進められる。

　専用セントラライザは、あらかじめ角座金（150×150）をセットできる構造となっている。座金は、セントラライザに磁石で取り付け、ボルト挿入時には注水専用取付け治具の先端の注水ヘッドで、セントラライザからボルト挿入とともに押し出されて、吹付けコンクリート壁面に設置される。

専用セントラライザ（座金セット）　出典：熊谷組プレスリリース

　現場適用は、現在、北海道芦別市で施工中の「一般国道452号芦別市鏡トンネル工事」で、施工性（作業性や打設時間）、品質（所定の位置へのロックボルトの挿入、座金設置、注水による定着、引抜耐力）、専用治具の耐久性を確認する試験施工を行った。試験施工では、通常の支保機能を損なわないように、標準支保パターンのロックボルトを打設した箇所の中間位置に、試験施工用のロックボルトを打設した。

　試験施工では、削孔誘導システムを活用し、30〜40秒程度でスムーズなボルト挿入が行え、挿入後のボルト注水拡張も含めて、90秒程度で打設完了したという。

ボルトと座金のセット状況　出典：熊谷組プレスリリース

水圧制御ユニットのリモコン操作　出典：熊谷組プレスリリース

ボルト挿入や座金の設置状況　出典：熊谷組プレスリリース

打設完了　出典：熊谷組プレスリリース

　今回の開発は、RPEロックボルトを対象に、ロックボルト専用機械でなく、汎用機のドリルジャンボに専用治具を取り付けるだけで、ボルト挿入や注水拡張による定着作業を機械化し、人力作業を介さない一連の作業をスムーズかつ効率的に行った。