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トンネル覆工コンクリート打設時作業の省力化と品質向上を実現する「スマートセントル®」

- 「北海道新幹線、ニセコトンネル他」で初適用 -

 飛島建設株式会社(社長:乘京 正弘)、株式会社北斗工業(社長:山口 次郎)、および大栄工機株式会社(社長:小林 雅彦)は、山岳トンネルの覆工コンクリートの施工において、省力化と品質向上を実現する「スマートセントル®」を開発、実用化し、「北海道新幹線、ニセコトンネル他」工事に初適用しました。

 同三社は、これまでも覆工コンクリートの施工において長年共同で技術開発を推進しており、今回、技術改良と新規開発項目を含む表-1に示す技術を抽出して、「スマートセントル®」としてパッケージ化しました(図-1)。

表-1 スマートセントル®の標準装備
図-1 スマートセントル®の構成図

図-1 スマートセントル®の構成図

 覆工コンクリートは、供用中に剥離・剥落が発生すると第三者災害を引き起こす原因となります。そのため、施工中は打設時の締固めや充填、打設後の養生などを行うことで、剥離・剥落の原因となる空隙やひび割れなどを排除し、品質を確保することが重要となります。しかしながら、昨今の建設作業員の高齢化により熟練の覆工作業員が減っていること、また、セントル内は狭隘で作業性が悪いことなどから、覆工コンクリートの品質を安定して確保することが課題となっています。
 スマートセントルは、締固めや充填、打設後から脱型までの養生作業をICTによりサポートし、覆工作業員の熟練度によらず、安定した品質の覆工コンクリート構築を目的に開発しました。
 以下にスマートセントルを構成する5つの技術について解説します。

概 要: スムーズな配管切替と左右同時水平打設が可能な自動配管切替装置です。
効 果: 配管切替作業の省力化を実現します。また、配管切替作業時間の短縮と左右同時水平打設によりコールドジョイントの発生を防止し、コンクリートの品質を確保します。
改良点: 従来型は、配管切替部をリモコンにより手動で前後に動かしていました。今回スマートセントルに搭載した改良型は、リニアエンコーダを利用してデジタルで位置決めができるようになりました。これにより、配管切替部はタッチパネル操作で所定の位置に自動で移動します。
図-2 スパイダー打設システムⅡ概要

図-2 スパイダー打設システムⅡ概要
概 要: 複数(今回は60台)の型枠バイブレータの稼働を中央制御盤で一元管理します。
効 果: 型枠バイブレータを集中管理することで、打込み箇所のコンクリートを効率的に締め固めることができます。
改良点: スターライトセンサシステムから出力される打設高さ情報に基づき、型枠バイブレータの締固め動作を自動制御することで、締固め作業の自動化・無人化を実現しました。
図-3 型枠バイブレータ集中制御システムⅡ(左)と型枠バイブレータ装備状況(右)

図-3 型枠バイブレータ集中制御システムⅡ(左)と型枠バイブレータ装備状況(右)
概 要: セントル型枠表面の照度センサとLED照明を使い、コンクリートの打設高さを視覚化します。
効 果: 打設高さをリアルタイムに視覚化し、コンクリートの打ち重ね時間を管理することで、コールドジョイントの発生を防止し、コンクリートの品質を確保します。
改良点: LED照明は熱に弱く、従来型に搭載していたLED照明は定期的に交換する必要がありました。今回搭載する改良型は、ペルチェ素子による冷却機構の追加により、温度上昇を従来型より20℃程度抑制することで、大幅に耐久性が向上しました。今後、適用工事のなかで耐久性について定量的に検証します。
また、本システムを使うことで、コンクリートの圧送ポンプのデータ、打設高さの履歴、型枠バイブレータの稼働履歴、圧力センサのデータなどが自動的に記録・保管されます(表-2)。このデジタルデータを基礎データとして、さらなる省力化や品質向上の改善事項を評価・分析していく予定です。
図-4 スターライトセンサシステムⅡの概要

図-4 スターライトセンサシステムⅡの概要
表-2 スターライトセンサシステムⅡから出力されるデータの一部

表-2 スターライトセンサシステムⅡから出力されるデータの一部
概 要: 電熱線と温度計を用いた加温制御機能により、コンクリート温度をブロック毎に制御して脱枠まで養生します。
効 果: コンクリート打設開始から、温度が低下して剥離が発生しやすい側壁部の下側を20℃以上に加温することで、セントル型枠による養生温度を均一化して脱枠時のコンクリートの剥離を防止し、品質を確保します。
図-5 セントル加温制御システム概要

図-5 セントル加温制御システム概要
概 要: 超音波方式によりコンクリートの硬化状態そのものから圧縮強度を推定します。
効 果: 超音波がコンクリートを伝搬する時の最大振幅と圧縮強度の関係式を事前に求めることで、打設後から脱枠までのどの時点でも圧縮強度を測定できます。コンクリートの若材齢時間に関係なく脱枠に必要な圧縮強度到達をリアルタイムに確認できるので、脱枠時の強度不足によるひび割れの発生を防止し、品質を確保します。
図-6 パルストメーター概要

図-6 パルストメーター概要

 スマートセントルを導入したのは、独立行政法人 鉄道建設・運輸施設整備支援機構 北海道新幹線建設局の「北海道新幹線、ニセコトンネル他」工事です。

表-3 工事概要

 図-7は、LED照明によって明るく照らされた覆工コンクリートの打設空間です。これによって、打設空間内の視認性が良くなり作業しやすくなったと作業員にも好評です。

図-7 LED照明によって照らされた打設空間

図-7 LED照明によって照らされた打設空間

 図-8は、保温のためのシートに全体を覆われたスマートセントルです。大型モニター画面には加温養生により初期強度が増進された覆工コンクリートの推定強度がリアルタイムに表示され、全域で脱枠強度に達したことを示しています。
 図-9は、打設後の覆工コンクリートです。現在まで、コールドジョイント等の不具合は確認されていません。

図-8 スマートセントル全景と加温養生状況(画面)

図-8 スマートセントル全景と加温養生状況(画面)
図-9 打設後の覆工コンクリート

図-9 打設後の覆工コンクリート

 飛島建設株式会社、株式会社北斗工業、および大栄工機株式会社の三社は、今後も様々なトンネル、様々なコンクリート配合でスマートセントルの検証・改善を進めます。そして、現場条件に合ったスマートな打設システムを実用化するとともに、将来的には締固め作業の完全自動化を実現して、省力化に貢献したいと考えています。

飛島建設株式会社 企画本部 広報室 嶌田 陽一 TEL: 03-6455-8312,FAX: 03-6455-8460

飛島建設株式会社 土木事業本部 土木技術部 
               熊谷 幸樹、滝波 真澄 TEL: 03-6455-8327,FAX: 03-6455-8321
株式会社北斗工業 高知営業所 中平 憲文 TEL: 0889-40-1810,FAX: 0889-40-1820
大栄工機株式会社 営業部   岩井 善紀 TEL: 0749-64-0246,FAX: 0749-63-6765