(57)【要約】【課題】  管理が簡易で確実に軸力を測定することの可能なロックボルト軸力測定方法及びロックボルトを提供すること。【解決手段】  中空の膨張型ロックボルトに作用する軸力を測定する。ロックボルトは管体２０に沿って固着又は配設された測定棒５０を有する。ロックボルトの施工時に予め測定棒５０の露出部である入射部１１から超音波を送信すると共に標点からの反射波を受信して標点からの反射波の受信時間差を求める超音波測定を実施する。後に改めて超音波測定を実施して受信時間差の変化により軸力を算定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の膨張型ロックボルト（１０）に作用する軸力を測定するロックボルト軸力測定方法であって、
前記ロックボルトは管体（２０）に沿って固着又は配設された測定棒（５０）を有し、前記ロックボルトの施工時に予め前記測定棒（５０）の露出部である入射部（１１）から超音波を送信すると共に標点（５２，Ｎ１〜Ｎ４）からの反射波を受信して標点（５２，Ｎ１〜Ｎ４）からの反射波の受信時間差を求める超音波測定を実施し、
後に改めて前記超音波測定を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定することを特徴とするロックボルト軸力測定方法。
【請求項２】
前記測定棒（５０）における超音波の入射部（１１）と終端（５２）との間に超音波を反射する複数の標点（Ｎ１〜Ｎ４）を設け前記軸力の分布測定を行うことを特徴とする請求項１記載のロックボルト軸力測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記標点が切り欠き（Ｎ１〜Ｎ４）を含むことを特徴とするロックボルト。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記標点が前記測定棒（５０）の円周方向に形成された溝状の切り欠き（Ｎ１〜Ｎ４）を含むことを特徴とするロックボルト。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、超音波の入射部（１１）と終端（５２）との間に超音波を反射する複数の標点を設け、これら標点（Ｎ１〜Ｎ４）のロックボルト円周方向に対する位相を異ならせたことを特徴とするロックボルト。
【請求項６】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記管体（２０）は膨張時に拡大変形する凹部（２６）を有し、前記測定棒（５０）を凹部（２６）に配置したことを特徴とするロックボルト。
【請求項７】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記測定棒（５０）を少なくともその両端近傍で前記管体（２０）側に固着したことを特徴とするロックボルト。
【請求項８】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記測定棒（５０）をその少なくとも一端側で前記管体（２０）側に締付固定手段（５８ｘ）により固定したことを特徴とするロックボルト。
【請求項９】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記測定棒（５０）を複数本設けたことを特徴とするロックボルト。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記超音波の入射部（１１）がロックボルトの長手方向に対して傾斜していることを特徴とするロックボルト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナトム工法などの地盤改良工法に用いるロックボルトの軸力を測定するロックボルト軸力測定方法及びこれに用いるロックボルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロックボルト軸力測定方法としては、例えば特許文献１，２に記載の如き発明が知られている。特許文献１に記載の発明では、軸力測定計に測定溝を設け、その底面にストレンゲージを貼付し、リード線を測定溝に配設している。また、特許文献２に記載の発明では、ロックボルトの表面にストレンゲージを貼付しその周りを防護パイプ、充填材等でストレンゲージ及び入出力ケーブルを保護している。
【０００３】
いずれの先行発明においても、ストレンゲージを用いて軸力を測定しており、計測部までケーブルを配設しなければならず、その取り扱いが煩雑でコスト高を招いていた。
【０００４】
また、ロックボルトとは全く技術分野の異なる参考例であるが、特許文献３に記載の如く超音波によるボルト軸力測定法が知られている。同発明は、軸方向の縦波と横波の伝播時間の比を求め、予め既知の軸力下で求めた縦波と横波の伝播時間の比と軸方向の引張応力との関係から、締結されたボルト全体のボルト軸力を求めている。よって、ロックボルトに適用するという点の示唆もその適用時の実現性等についての開示も全く見受けられない。
【特許文献１】実開平４−３８５４１号
【特許文献２】特開２００４−３７２２７号
【特許文献３】特開平５−２０３５１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、管理が簡易で確実に軸力を測定することの可能なロックボルト軸力測定方法及びロックボルトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係るロックボルト軸力測定方法の特徴は、中空の膨張型ロックボルトに作用する軸力を測定する方法であって、前記ロックボルトは管体に沿って固着又は配設された測定棒を有し、前記ロックボルトの施工時に予め前記測定棒の露出部である入射部から超音波を送信すると共に標点からの反射波を受信して標点からの反射波の受信時間差を求める超音波測定を実施し、後に改めて前記超音波測定を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定することにある。
【０００７】
同特徴によれば、管体に沿って固着又は配設された測定棒を有し、測定棒は管体の変形に追随する。特に、測定棒は超音波の透過性が良好で超音波の検出がより確実となる。
【０００８】
よって、ストレンゲージを用いることなく、各標点における超音波の受信時間差の変化により軸力を算定することができる。
【０００９】
また、測定棒における超音波の前記入射部と終端との間に超音波を反射する複数の標点を設け、前記軸力の分布測定を行ってもよい。
【００１０】
一方、上記ロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトの特徴は、各標点が切り欠きを含むことにある。前記標点が前記測定棒の円周方向に形成された溝状の切り欠きを含ませることで検出力の向上が期待される。また、超音波の入射部と終端との間に超音波を反射する複数の標点を設け、これら標点のロックボルト円周方向に対する位相を異ならせてもよい。
【００１１】
ロックボルトにおける前記管体は膨張時に拡大変形する凹部を有し、前記測定棒を凹部に配置してもよい。
【００１２】
前記測定棒を少なくともその両端近傍で前記管体側に固着してもよい。測定棒の少なくとも両端間の張力を管体と測定棒の間で共有することができるので、より精度の高い軸力測定を行うことができる。さらに、膨張型ロックボルトでは、測定棒を管体の変形に追随させるのでより効果的である。また、前記測定棒をその少なくとも一端側で前記管体側に締付固定手段により固定してもよい。
【００１３】
また、ロックボルトの曲がりの影響を排除して測定精度を向上させるために、前記測定棒を複数本設けてもよい。なお、前記測定棒を膨張後の前記管体について複数本均等配置することが望ましい。均等配置により、膨張後の管体について結果的に断面における測定棒の位置の対称性が確保され、各測定棒のひずみ計算が容易となるからである。
【００１４】
前記超音波が横波の場合においては、前記超音波の入射部をロックボルトの長手方向に対して傾斜させてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上記本発明に係るロックボルト軸力測定方法の特徴によれば、超音波を用いることでストレンゲージの配線等が不要で管理が簡素であり、しかも、確実に軸力を測定することの可能なロックボルト軸力測定方法及びロックボルトを提供するに至った。
【００１６】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。図１は本発明の軸力測定に用いるロックボルト１０と軸力測定装置１とを示す。軸力測定装置１は、超音波をロックボルト１０へ送受信する探触子２と、超音波を発信及び受信するパルサー・レシーバー３と、信号を制御すると共に受信信号を処理・表示するＰＣ（パーソナルコンピュータ）４及びモニター５を備えている。
【００１８】
ロックボルト１０は、管体である異形管２０の両端に注水側スリーブ３０，封止側スリーブ４０を溶接又は溶着（以下、「溶接等」とする。）し、さらに、異形管２０に沿って固着又は配設された測定棒５０を有してなる。異形管２０は図２に示すように、溶融メッキ鋼管を扁平にすると共に略Ｃ字型に形成したものであり、ロックボルト１０の端部近傍では各断面位置で扁平度合いが異なっている。全長の端部では同図（ｂ）に示すように屈曲外面２１，屈曲内面２２が近接しており、同図（ｃ）の位置では管内部２３が膨大し凹部２６が縮小している。管内部２３への注水時に開口部２５を介して屈曲内面２２が同図（ｄ）の如く膨大する。
【００１９】
測定棒５０は、鋼材やアルミニウムで構成されており、図１，５，６に示すように、管体に沿って配設され、又は異形管２０或いはスリーブ３０，４０，７０或いはベアリングプレート１５等のロックボルトの部材に適宜箇所で溶接等若しくは接着剤により固着される。測定棒５０を固着する場合は、少なくとも測定棒５０の両端部をロックボルトの異形管或いはロックボルトの部材に固着させるとよい。測定棒５０の両端部を固着させることで、施工時のロックボルト１０の取り扱いが容易となる。
【００２０】
測定棒５０が管体に沿って配設される場合は、管体２０の削孔１０１に対する押圧力により管体２０と測定棒５０は事実上一体化される。また、測定棒５０の両端あるいは一部がロックボルトの異形管あるいはスリーブ等に溶接等あるいは接着により固着される場合は、管体２０の削孔１０１に対する押圧力により、固着されていない部分も含めて測定棒５０のほぼ全長が管体２０と事実上一体化される。測定棒５０は、ロックボルト１０の異形管の凹部２６内に配置してある。
【００２１】
略Ｃ字型の異形管２０先端は注水側スリーブ３０の孔に挿入され、その先端部において溶接部２４で注水側スリーブ３０に固着される。異形管２０の他端も封止側スリーブ４０に対して同様に溶接等される。注水側スリーブ３０のスリーブ側部３２及び屈曲外面２１には注水孔２７が貫通形成され、外部から水がこの注水孔２７を通じて管内部２３に供給される。
【００２２】
測定棒５０の適宜箇所には図３（ａ）（ｂ）に示すように標点として複数の切欠Ｎ１−４が形成されている。各切欠Ｎ１−４は、それぞれが、測定棒５０の円周方向に連続的に切り欠かれた溝である。幅Ｗは信号の反射には大きな影響を及ぼさず、より終端面５２側の切欠ほど深さｔを大きくすることで、始端面５１で受信される信号のレベルを各切欠Ｎ１−４間で同レベルとなるように調節することが可能となる。表面に多くの凹凸が存在すると、超音波の減衰の激しいことが実験により確認されたので、測定棒５０の表面は切欠以外平坦となっている。
【００２３】
なお、各切欠Ｎ１−４は、図３（ｃ）の如く測定棒５０の全周でなく周部の一部にのみ形成してもよい。この場合、各切欠Ｎ１−４はそれぞれが一対ずつロックボルト１０の中心軸に対し点対称的に設けられ、異なる長手方向位置において位相が異なるように配置され、超音波が中間部の切欠Ｎ１−４及び終端面５２のものを確実に検出できるように構成してある。
【００２４】
また、図４に示すように、各切欠Ｎ１〜Ｎ４は、測定棒５０にほぼ垂直に切り込みを入れ形成された立ち上がり部５６と、その立ち上がり部５６に対しテーパー状に削られた平坦部５７とより形成してもよい。入射部１１である始端面５１より入射された超音波の一部Ｓａは、ほぼ垂直である立ち上がり部５６で大幅に反射される一方、終端面５２により反射された反射波Ｓｂは、平坦部５７では大きく反射せずに切欠Ｎ１〜Ｎ４を通過するので、超音波が中間部の切欠Ｎ１−４及び終端面５２のものを確実に検出できる。なお、標点は切欠以外に凹部や突起でもよいが、垂直部分を有する切欠を設けた場合が超音波の反射を最も明瞭に検出することができる。
【００２５】
設置に際しては、トンネル外壁１００の適宜箇所に形成された挿入孔１０１にロックボルト１０を挿入する。挿入時は図２（ｃ）の如く、挿入孔１０１と異形管２０との間に隙間１０３が残存している。その後、注水側スリーブ３０にシールヘッドを取り付けて水を注水孔２７から管内部２３内に加圧注水する。この注水により異形管２０は、図１の符号２０’で示す一点鎖線及び図２（ｄ）の如く膨張し、隙間１０３は殆ど無くなって挿入孔１０１に異形管２０外面が密着することになり、これにより摩擦力が作用してロックボルト１０の挿入孔１０１への定着が完了する。注水側スリーブ３０の近傍にはベアリングプレート１５が介挿され、実質的にトンネル外壁１００を支持する。
【００２６】
測定に際しては、測定棒５０の始端面５１に探触子２を接触媒質を介して接触させ、超音波を入射すると共に各標点Ｎ１〜Ｎ４及び終端面５２からの反射波を受信する。超音波の発信時刻と受信時刻の差と音速を掛け合わせることにより、図３（ｂ）に示す各標点Ｎ１−４、終端面５２からの反射波の往復距離Ｌ１〜５が算出できる。また、各Ｌ１〜５間の差分を求めることで、標点間距離ＳＣ１〜５を算出でき、予め求めておいた各距離Ｌ１〜５、ＳＣ１〜５との比較を行うことで、ロックボルト１０の伸長の度合いを求めることができる。
【００２７】
まずは、超音波の発信時刻と図３（ｂ）に示す各標点Ｎ１−４及び終端面５２から反射してくる反射波の受信時刻の差から伝播時間Ｔi（ｉは区間番号）が求められる。次に、隣接する区間の伝播時間の差Ｔi−Ｔi-1から区間伝播時間が算出できる。上記の手順に基づいて、ロックボルト打設直後に各標点区間ＳＣ１〜５の各区間伝播時間を初期値として計測する。打設後随時に各区間伝播時間を同様に計測して、それぞれ初期値に対する変化率（区間伝播時間変化率ｄＤ）を求める。予め求めておいた軸力と区間伝播時間変化率ｄＤとの相関関係から、各区間の軸力が算定できる。実験によれば、横波の場合は１ＭＨｚ，２ＭＨｚ（低周波領域）で反射検出が良好であったが、縦波の場合は５ＭＨｚ（高周波領域）で反射波検出が良好となることが判明した。なお、超音波音速は材料の温度によっても変動するため、上記処理において、周囲環境に合わせた温度補正が必要となる場合がある。
【００２８】
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同じ符号を付すこととする。
【００２９】
図５（ａ）（ｂ）に示す実施形態では、測定棒５０の始端と終端をそれぞれ注水側スリーブ７０及び封止側スリーブ４０の外に配置させてある。測定棒５０は注水側スリーブ７０を貫通させる大孔１６に連続する小孔１７からベアリングプレート１５を貫通すると共にその外表面から始端面５１を若干突出させてある。この僅かな突出により、注水側スリーブ７０へ連結する注水用継手と測定棒５０との干渉を防止ししつつ、探触子２の接触を可能としている。注水側スリーブ７０と測定棒５０との間にはスペーサー５３を配置してある。また、異形管２０の注水側スリーブ７０近傍と封止側スリーブ４０の外面との２カ所において、溶接部５８を必要最低限の部位とすることで、測定棒５０から異形管２０への超音波漏洩を抑制してある。
【００３０】
測定棒５０の挿入孔側の固着は、異形管２０に直接行うことがロックボルトの取扱いの面から好ましい。しかし、ロックボルトの変形による荷重を考慮すると、溶接部５８を符号５８ａの部分より符号５８ｃの部分において、ベアリングプレート１５に固着させることが測定精度向上の面から好ましい。ところが、溶接部５８ｃで測定棒５０をベアリングプレート１５に固着させるとベアリングプレート１５が異形管２０に常時連結されて取扱い性が低下する。
【００３１】
そこで、図５（ｃ）に示す実施形態の如く、測定棒５０の挿入孔側先端部にねじ部５８ｆを設け、ナット５８ｇによりベアリングプレート１５に測定棒５０を固着しても構わない。測定棒５０のベアリングプレート１５に対する締付固定手段５８ｘは、ねじ部５８ｆ、ナット５８ｇの他、ラッチ手段等様々な機械を採用し得る。
【００３２】
図６（ａ）に示す実施形態では、凹部２６に配置された測定棒５０が、それぞれ注水側スリーブ７０及び封止側スリーブ４０の中心を通ると共にリング状スペーサー５９を介してスリーブの中に固定されている。リング状スペーサー５９の外縁は溶接部５８ｈで固着され、始端面５１側の測定棒５０はリング状スペーサー５９の封止側スリーブ４０側で溶接部５８ｉにより固着され、注水側スリーブ７０の外側端とほぼ面合わせされた始端面５１が溶接等で侵食されることを免れている。一方、終端面５２は溶接部５８ｉの侵食を免れるために始端面５１よりもやや大幅にリング状スペーサー５９から突出させてある。
【００３３】
さらに、図６（ｂ）に示す実施形態の如く、測定棒５０の挿入孔側先端部にはねじ部５８ｊを設け、ナット５８ｋにより注水側スリーブ７０内のリング状スペーサー５９に測定棒５０を固着しても構わない。測定棒５０のリング状スペーサー５９に対する締付固定手段５８ｘもねじ部５８ｊ、ナット５８ｋに限らず図５（ｃ）に示す実施形態同様様々な手段を採り得る。
【００３４】
上記実施形態では、異形管２０は膨張時に拡大変形する凹部２６に一本の測定棒５０を配置した。しかし、変形の対称性を保つため、前記測定棒５０を膨張後の管体２０について複数本をほぼ均等配置するとよい。
【００３５】
この場合、例えば、測定棒を３本用いる場合は１２０度間隔で均等割り付けするとよい。また、図７（ａ）（ｂ）の如く一対の測定棒５０ａ，５０ｂを双方とも凹部２６外に配置してもよく、図７（ｃ）（ｄ）の如く一方の測定棒５０ａを凹部２６内に、他方を凹部２６外に配置してもよい。さらに、図７（ｅ）（ｆ）に示す如く、一対の凹部２６，２６に２本の測定棒５０ａ，５０ｂを配置してもよい。
【００３６】
上記各実施形態では、入射部１１である始端面５１を測定棒５０の長手方向に垂直な平面として構成した。しかし、横波を円滑に入射させたい場合には図８の如く始端面５１ａを測定棒５０の長手方向に傾斜状に形成してもよい。
【００３７】
上記実施形態では、測定棒５０を中央部も詰まった棒として表現した。しかし、この測定棒５０は異形管２０に比較して中身が詰まった棒との意味合いでの概念であるため、超音波が十分伝達できる限りにおいて中央部に長手方向に沿う空洞が存在してもよい。測定棒５０の中央部に長手方向に沿う空洞が存在する場合には、その空洞に温度センサを挿入して各部位の温度を計測し温度補正を考慮したより精度の高い軸力測定を行うことができる。
【００３８】
上記図５，６の実施形態では、測定棒５０の一端のみをベアリングプレート１５又はリング状スペーサー５９に対し締付固定手段５８ｘで固定した。しかし、測定棒５０の両端を締付固定手段５８ｘにより異形管２０に対し固定してもよい。
【００３９】
なお、図１、図６に示す実施形態のように、測定棒５０を異形管２０内部に配設又は固着させた場合、ロックボルトの施工の点でロックボルトの取扱い性が向上する。一方、図５に示す実施形態のように、測定棒５０を異形管２０の外部に配設又は固着させた場合、測定棒５０の変形の負担が少なく、測定精度をより高められる。しかし、取扱いの面では、異形管２０内部に配設又は固着させた場合がより優れている。
【００４０】
上記実施形態では、本発明をロックボルトの軸力測定方法として表現したが、本発明はロックボルトの伸長測定方法とも表現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、トンネル施工法の一種である所謂ナトム工法に用いられるロックボルトの軸力を測定するロックボルト軸力測定方法として利用することができる。また、トンネル以外の地盤補強のためのロックボルトの軸力測定方法にも用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ロックボルトの破砕図及び軸力測定装置のブロック図である。
【図２】ロックボルトの図１における断面図等であり、（ａ）はＡ方向視図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は膨張後のＣ−Ｃ断面図である。
【図３】（ａ）は測定棒と切り欠きとの関係を示す側面図、（ｂ）は測定棒の全長における切り欠き位置を示す側面図、（ｃ）は測定棒と切り欠きとの関係を示す測定棒の軸心に直交する断面図である。
【図４】切り欠きの部分拡大図である。
【図５】ロックボルトのさらに別の実施形態を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はロックボルトの正面図、（ｃ）はさらに別の実施形態における測定棒の挿入孔近傍の拡大図である。
【図６】ロックボルトのさらに別の実施形態を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はさらに別の実施形態を示す断面図である。
【図７】ロックボルトの別の実施形態における断面図等であり、（ａ）は図２のＣ−Ｃ断面相当図、（ｂ）は（ａ）の膨張後の図、（ｃ）は他の実施形態を示す図２のＣ−Ｃ断面相当図、（ｄ）は（ｃ）の膨張後の図、（ｅ）は他の実施形態を示す図２のＣ−Ｃ断面相当図、（ｆ）は（ｅ）の膨張後の図である。
【図８】測定棒の始端面の別の実施形態を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１：軸力測定装置、２：探触子、３：パルサー・レシーバー、４：ＰＣ、５：モニター、１０：ロックボルト、１１：入射部、１２：端部、１５：ベアリングプレート、１６：大孔，１７：小孔，２０：異形管、２１：屈曲外面、２２：屈曲内面、２３：管内部、２４：溶接部、２５：開口部、２６：凹部、２７：注水孔、３０：注水側スリーブ、３１：スリーブ先端、３２：スリーブ側部、４０：封止側スリーブ、５０：測定棒、５１：始端面、５２：終端面、５３：スペーサー，５５：切欠部、５６：立ち上がり部、５７：平坦部、５８，５８ａ〜ｃ，５８ｈ，５８ｉ：溶接部，５８ｇ，５８ｋ：ナット、５８ｆ，５８ｊ：ねじ部、５８ｘ：締付固定手段５９：リング状スペーサー，７０：注水側スリーブ、７１：溝、７２：注水孔、１００：トンネル外壁 、１０１：挿入孔、１０３：隙間、Ｎ１−４：標点（切欠）ＳＣ１−５：標点間距離，Ｓａ：超音波の一部，Ｓｂ：反射波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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