ドリル＆ブラストによるトンネル掘削と地下掘削の進歩 | 上海ポーラーエクスプレス株式会社

マルチブームジャンボ

ここ米国では、ドリルアンドブラストによるトンネル工事を「従来型」トンネル工事と呼んでいましたが、おそらくTBMやその他の機械化された手段によるトンネル工事は「非従来型」トンネル工事と呼ばれることになると思います。しかし、TBM技術の進化に伴い、ドリルアンドブラストによるトンネル掘削はますます稀になってきているため、表現を変えて、ドリルアンドブラストによるトンネル掘削を「型破り」と呼び始めてもよいかもしれません。「トンネル。

掘削と発破によるトンネル掘削は依然として地下鉱山業界で最も一般的な方法ですが、インフラストラクチャプロジェクトのトンネル掘削はTBMまたは他の方法による機械化されたトンネル掘削がますます増えています。ただし、短いトンネル、大きな断面、空洞の建設、横断歩道、横断通路、立坑、水圧鉄管などでは、多くの場合、ドリルとブラストが唯一の可能な方法です。ドリルとブラストを使用することで、特に高速道路トンネルの場合、常に円形の断面が得られる TBM トンネルと比較して、さまざまなプロファイルをより柔軟に採用できる可能性があり、実際に必要な断面に対して大幅な過剰掘削が行われます。

北欧諸国では、地下建設の地層が堅固な花崗岩や片麻岩であることが多く、ドリルやブラスト採掘に非常に効率的かつ経済的に適しています。たとえば、ストックホルムの地下鉄システムは通常、ドリルとブラストを使用して構築され、現場打ちライニングを使用せずに最終ライナーとして吹き付けコンクリートを吹き付けた、露出した岩石表面で構成されています。

現在、AECOM のプロジェクトであるストックホルムバイパスは、ストックホルム西部群島の地下にある 21 km (13 マイル) の幹線道路からなり、そのうち 18 km (11 マイル) が地下に建設中です (図 1 を参照)。これらのトンネルは可変断面を持ち、各方向に 3 つの車線を収容するため、地表に接続するオン/オフランプがドリルアンドブラスト技術を使用して建設されています。このタイプのプロジェクトは、良好な地質と、スペース要件に対応するための可変断面の必要性により、ドリルアンドブラストと同様に依然として競争力があります。このプロジェクトでは、長いメイントンネルを複数の見出しに分割するためにいくつかのアクセスランプが開発され、トンネルの掘削にかかる全体の時間を短縮しました。トンネルの初期支持体はロックボルトと 4 インチの吹付けコンクリートで構成され、最終ライナーは防水膜と 4 インチの吹付けコンクリートで構成され、約 4 × 4 フィートの間隔でボルトで吊り下げられ、吹付けコンクリートで裏打ちされた岩の表面から 1 フィートの位置に設置され、水と霜の役割を果たします。絶縁。

ストックホルムバイパス

ノルウェーは、ドリルとブラストによるトンネル掘削に関してはさらに極端で、長年にわたってドリルとブラストの手法を完璧に洗練させてきました。ノルウェーの地形は非常に山岳地帯であり、非常に長いフィヨルドが陸地に食い込んでいるため、高速道路と鉄道の両方でフィヨルドの下にトンネルを建設する必要性は非常に重要であり、移動時間を大幅に短縮することができます。ノルウェーには 1,000 以上の道路トンネルがあり、これは世界最多です。さらに、ノルウェーには、ドリルアンドブラストによって建設された水圧鉄管トンネルや立坑を備えた無数の水力発電所があります。 2015 年から 2018 年の期間中、ノルウェーだけでも約 550 万年にわたり、ドリルとブラストによる地下岩石の掘削が行われました。北欧諸国はドリルアンドブラストの技術を完成させ、その技術と最先端技術を世界中で探求しました。また、中央ヨーロッパ、特に高山諸国では、トンネルの長さが長いにもかかわらず、ドリルアンドブラストは依然としてトンネル掘削における競争力のある工法です。北欧のトンネルとの主な違いは、アルプスのトンネルのほとんどが現場打ちコンクリートの最終ライニングをしていることです。

米国の北東部とロッキー山脈地域では、北欧と同様の条件があり、硬い岩石がドリルとブラストの経済的な使用を可能にしています。例としては、ニューヨーク市の地下鉄、コロラド州のアイゼンハワートンネル、カナディアンロッキーのマウントマクドナルドトンネルなどがあります。

最近完成した二番街地下鉄やイーストサイド・アクセス・プロジェクトなどのニューヨークの最近の交通プロジェクトでは、ドリル・アンド・ブラストによって行われたステーション・キャバーンやその他の補助スペースとTBM採掘のランニング・トンネルを組み合わせています。

ドリルジャンボの使用は、長年にわたって、原始的な手持ち式ドリルまたはワンブームジャンボから、ドリルパターンがオンボードコンピューターに入力されるコンピューター化された自動穴あけマルチブームジャンボへと進化してきました。 -正確に計算されたドリルパターンを設定。 (図2参照)

高度な掘削ジャンボは、完全自動または半自動で提供されます。前者の場合、穴の完了後、ドリルは自動的に戻り、次の穴の位置に移動し、オペレーターによる位置決めを必要とせずに穴あけを開始します。半自動ブームの場合、オペレーターはドリルを穴から穴へと移動させます。これにより、オンボードコンピュータを使用して、1 人のオペレータが最大 3 つのブームを備えたドリルジャンボを効率的に処理できるようになります。 (図3参照)

全自動ドリルジャンボ

18、22、30、最大40 kWの衝撃力のさく岩ドリルと、最大20フィートのドリフターロッドを保持するフィーダーを備えた高周波ドリルの開発と自動ロッド追加システム（RAS）の使用により、進歩と速度が向上しました。掘削能力は大幅に向上し、実際の前進速度は 1 ラウンドあたり最大 18 フィート、穴の沈み込み速度は岩石の種類と使用するドリルに応じて 8 ～ 12 フィート/分です。自動化された 3 ブームドリルジャンボは、20 フィートのドリフターロッドを使用して 800 ～ 1200 フィート/時間で掘削できます。 20 フィートのドリフターロッドを使用するには、同じ装置を使用してロックボルトをトンネル軸に対して垂直に穴あけできるように、一定の最小サイズのトンネル (約 25 フィート) が必要です。

最近の開発では、トンネル天端から吊り下げられた多機能ジャンボの使用により、掘削や土砂採取などの複数の機能を同時に実行できるようになりました。ジャンボは格子桁や吹き付けコンクリートの設置にも使用できます。このアプローチでは、トンネリングの一連の操作が重複するため、スケジュール上の時間が節約されます。図4を参照してください。

トンネルクラウンから吊り下げられた多機能ジャンボ

ドリルジャンボを複数の見出しに使用する場合、または単一の見出しを掘削する場合にドリルジャンボの内蔵機能として使用する場合、別の充填トラックから穴に充填するためにバルクエマルジョンを使用することが、より一般的になりつつあります。このアプリケーションにはローカル制限があります。この方法は世界中のさまざまな地域で一般的に使用されており、2 つまたは 3 つの穴を同時に充電できます。どのホールがチャージされるかに応じて、エマルジョンの濃度を調整できます。カット穴と底穴は通常 100% の濃度で充填されますが、輪郭穴はそれよりもはるかに軽い約 25% の濃度で充填されます。 (図5を参照)

ホールチャージ

バルクエマルジョンの使用には、パッケージ化された爆薬（プライマー）のスティックの形をしたブースターが必要です。これは起爆装置とともに穴の底に挿入され、穴にポンプで送り込まれたバルクエマルジョンに点火するのに必要です。バルクエマルジョンの使用により、従来のカートリッジよりも全体の充填時間が短縮され、2 つの充填ポンプと 1 人または 2 人用のバスケットを備えた充填トラックから 80 ～ 100 穴/時で充填でき、全断面に到達します。図6を参照

乳剤充填車

ホイールローダーとトラックの使用は、地表に直接アクセスできるトンネルでドリルとブラストを組み合わせて泥んこを行う最も一般的な方法です。立坑経由でアクセスする場合、泥は主にホイールローダーによって立坑まで運ばれ、最終処分場までさらに輸送するために地表まで吊り上げられます。

しかし、トンネルの切羽で破砕機を使用して大きな岩片を粉砕し、ベルトコンベアで移送して泥を地表に引き上げることも、アルプスを通る長いトンネルのために中央ヨーロッパで開発されたもう一つの技術革新である。この方法は、特に長いトンネルの場合に、マッキングにかかる時間を大幅に短縮し、トンネル内の台車を排除することで作業環境を改善し、必要な換気能力を削減します。また、コンクリート工事のためにトンネルインバートを解放します。岩石が骨材生産に使用できるほどの品質であれば、さらに利点があります。この場合、砕石は、コンクリート骨材、鉄道バラスト、舗装などの他の有益な用途のために最小限に加工することができます。立ち上がり時間が問題となる場合、発破から吹付けコンクリートの塗布までの時間を短縮するために、マッキングが行われる前に屋根に吹付けコンクリートの初期層を適用できます。

劣悪な岩石条件と組み合わせて大きな断面を掘削する場合、ドリル＆ブラスト法を使用すると、切羽を複数の見出しに分割し、掘削に逐次掘削法（SEM）法を適用することができます。図 7 に見られるように、ニューヨークの 2 番街地下鉄プロジェクトの 86 番街駅の上部ヘディング掘削では、トンネル掘削の SEM では、センターパイロットヘディングとそれに続く千鳥状のサイドドリフトがよく使用されます。上部のヘッディングは 3 回の掘削で掘削され、その後 2 回のベンチ掘削が続き、幅 60 フィート、高さ 50 フィートの洞窟断面が完成しました。

地下鉄二番街 – 86 番街駅複数の見出しを使用した掘削

掘削中のトンネルへの水の侵入を最小限に抑えるために、掘削前グラウト注入がよく使用されます。スカンジナビアでは、トンネル内への水漏れに関する環境要件に対処し、地表または地表近くの水環境への建設の影響を最小限に抑えるために、岩石の掘削前グラウト注入が義務付けられています。掘削前グラウト注入は、トンネル全体に対して行うことも、断層帯やせん断帯など、岩盤の状態や地下水状況により水の侵入を管理可能な量までグラウト注入が必要な特定の領域に対して行うこともできます。選択的掘削前グラウト注入では、4 ～ 6 個のプローブ穴が開けられ、確立されたグラウト注入トリガーと関連してプローブ穴からの測定された水に応じて、セメントまたは化学グラウトを使用してグラウト注入が実行されます。

通常、掘削前グラウト注入ファンは、切羽の前方に開けられ、掘削前にグラウト注入される 15 ～ 40 個の穴 (長さ 70 ～ 80 フィート) で構成されます。穴の数はトンネルのサイズと予想される水の量によって異なります。次に掘削は、次の探査と掘削前のグラウト注入が行われるときに、最後のラウンドから 15 ～ 20 フィートの安全ゾーンを残して行われます。前述の自動ロッド追加システム (RAS) を使用すると、300 ～ 400 フィート/時間の能力でプローブとグラウト穴を簡単かつ迅速に穴あけできます。掘削前のグラウト注入要件は、TBM を使用する場合と比較して、ドリルアンドブラスト法を使用する場合の方が実現可能で信頼性が高くなります。

ドリルおよびブラストトンネル掘削における安全性は常に大きな懸念事項であり、特別な安全対策が必要です。トンネル掘削における従来の安全上の問題に加えて、ドリルアンドブラストによる建設では、掘削、装入、スケーリング、泥掘りなどを含む切羽のリスクが追加され、対処し計画する必要がある追加の安全リスクが発生します。ドリルおよびブラスト技術の技術の進歩と安全面へのリスク軽減アプローチの適用により、トンネル掘削の安全性は近年大幅に向上しました。たとえば、車載コンピュータにアップロードされたドリルパターンを使用した自動化されたジャンボドリルを使用すると、ドリルジャンボキャビンの前に人がいる必要がなくなり、作業員が潜在的な危険にさらされる可能性が減り、結果として危険が増加します。彼らの安全。

最も優れた安全関連機能は、おそらく自動ロッド追加システム (RAS) でしょう。このシステムでは、主に掘削前グラウト注入およびプローブ穴掘削に関連した長穴掘削に使用されます。拡張穴あけは運転室から完全に自動で行うことができるため、怪我（特に手の怪我）のリスクが排除されます。それ以外の場合、ロッドの追加は手動で行われ、手動でロッドを追加するときに作業員が負傷する可能性がありました。ノルウェートンネル協会（NNF）が2018年に「ノルウェーのドリルと発破トンネルの安全性」と題した出版物第27号を発行したことは注目に値します。この出版物は、ドリルおよびブラスト工法を使用したトンネル掘削中の健康、安全、および環境管理に関連する対策を体系的に取り上げており、雇用主、職長、トンネル建設作業員にベストプラクティスを提供します。この出版物は、ドリルおよびブラスト建設の安全性に関する最新技術を反映しており、ノルウェートンネル協会の Web サイトから無料でダウンロードできます: http://tunnel.no/publikasjoner/engelske-publikasjoner/

適切なコンセプトで使用されるドリルとブラストは、たとえ長いトンネルであっても、長さを多数の見出しに分割できる可能性があり、依然として実行可能な代替手段となり得ます。最近、機器や材料が大幅に進歩し、安全性が向上し、効率が向上しました。 TBM を使用した機械掘削は、断面が一定の長いトンネルに適していることがよくありますが、TBM に故障が発生して長時間停止した場合、トンネル全体が停止します。一方、複数の見出しを使用したドリルおよび発破操作では、トンネル全体が停止します。たとえ 1 つの船首が技術的な問題に遭遇したとしても、建設はまだ進む可能性があります。

著者について：

Lars Jennemyr は、AECOM ニューヨークオフィスのトンネル建設専門エンジニアです。彼は、東南アジア、南米、アフリカ、カナダ、米国を含む世界中の交通、水道、水力発電プロジェクトにおける地下およびトンネルプロジェクトに生涯にわたって携わった経験を持っています。彼は従来のトンネル掘削と機械化されたトンネル掘削に関して豊富な経験を持っています。彼の特別な専門知識には、岩石トンネルの建設、施工性、建設計画が含まれます。彼のプロジェクトには、ニューヨークの地下鉄 2 番街、86 番街駅などがあります。ニューヨークの地下鉄7号線の延伸。ロサンゼルスの地域コネクターとパープルライン延長。スウェーデン、マルメのシティトンネル。スリランカのククレガンガ水力発電プロジェクト。インドのウリ水力発電プロジェクト。そして香港の戦略的下水計画。