(57)【要約】【課題】  地山において変位抑制効果を向上させる。【解決手段】  ロックボルト１は、主要母材をなす棒部材５と、棒部材５の周面５ｃに固着された固定端部６ａから棒部材５の長手方向の頭部１ａ側に向けて外方に傾斜して設けられているバネ剛性を有する羽根部材６とを備えている。棒部材５の頭部５ｂには、平板形状のベアリングプレート７がトンネル壁面２ａに密着して設けられている。ロックボルト１は地山Ｇより圧縮力Ｐ１を受けると、矢印Ｈ方向に剛体移動する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主要母材をなす棒部材と、
該棒部材の周面に固着された端部から前記棒部材の長手方向の頭部側に向けて外方に傾斜して設けられているバネ剛性を有する突起部材と、
を備えたことを特徴とするロックボルト。
【請求項２】
前記棒部材の頭部には、ベアリングプレートが付加されていることを特徴とする請求項１に記載のロックボルト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば地山壁面の変位を抑制するロックボルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トンネルにおける支保部材として使用されているロックボルトの支保効果は、一般的に次のように考えられている。
図６に記載のように、トンネル２を掘削すると、地山Ｇがトンネル内空側となる矢印Ｄ方向に変位する。この変位は、トンネル円周方向（矢印Ｆ方向）に働く圧縮力Ｐ１となる。そして、ロックボルトＲが矢印Ｆ方向の圧縮力Ｐ１を受けると、ロックボルトＲは、先端部側で地山方向（矢印Ｈ方向）に、頭部側ではトンネル内空方向（矢印Ｄ方向）に軸力が作用する。
この作用により、トンネル壁面２ａでは、矢印Ｄ方向にロックボルトＲが伸びようとする頭部軸力が作用する。そして、この頭部軸力が、ベアリングプレート７を介して矢印Ｉ方向に支保内圧Ｐｉを発生させることになり、トンネル変位の矢印Ｄ方向と逆方向となるため、トンネル壁面変位を抑制することになる。
これがロックボルトＲによる支保効果の一般的な考え方である。
ところで、ロックボルトの支保効果に関して提案されている技術としては、例えば次に示すような特許文献がある。
特許文献１によるロックボルトは、主要母材をなす異形棒材の頭部に高強度の鉄部材を溶接等により接合したロックボルトである。大きな軸力を受けるボルト頭部の強度を向上させたことにより、母材をなす異形棒材のボルト径を小さくできる。このため、ロックボルトを設置するための穿孔径を小さくできるとともに、モルタルなどの充填材を少なくでき、コストダウンが図れる。
また、特許文献２では、ベアリングプレートを従来のものより外形を大きくしたことで、地山密着面積が大きくなり、壁面保護効果を得ることができる。また、ベアリングプレートの地山側に突出した突出部を設けることにより、地山への密着度を増大させて、地山補強効果を奏することができる。この結果、吹き付けコンクリートの施工を省略することができ、施工の環境改善、工事工期、工費の低減を図ったものである。
【特許文献１】実開平６−６０６９９号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０３９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した特許文献１及び特許文献２を含めた従来のロックボルトＲでは、理論上上述した支保効果となるが、実際には、図６に示すようにロックボルトＲは、頭部Ｒｂに作用する頭部軸力によって、トンネル内空側に抜ける方向（矢印Ｄ方向）に移動する。これにより、ベアリングプレート７もトンネル内空側に移動することになる。
このような場合には、ベアリングプレート７によって地山Ｇを押す作用が弱くなり支保内圧Ｐｉが小さくなるため、トンネル壁面２ａの変位抑制効果が低下するという問題がある。また、ベアリングプレート７のナット８の締め付けが緩い場合や、地山に付着強度が期待できない場合や、施工不良のある場合などでベアリングプレート７と地山Ｇとの密着度が不完全となるときも同様で、支保内圧Ｐｉが小さくなり、変位抑制効果が低下することになる。
さらに、このベアリングプレート７と地山Ｇとの付着強度は、実務上特定することが難しく、変位抑制効果を定量的に把握することはほとんど不可能である。このような背景から施工する地山条件に応じたロックボルトＲの選択や打設本数などは熟練した技術者の経験と勘に頼らざるを得ないのが実情である。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、地山において変位抑制効果を向上させるようにした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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係るロックボルトは、主要母材をなす棒部材と、棒部材の周面に固着された端部から棒部材の長手方向の頭部側に向けて外方に傾斜して設けられているバネ剛性を有する突起部材とを備えたことを特徴としている。
本発明によれば、ロックボルトは、外方に傾斜した突起部材の端部を地山壁面側に向けて地山に設置されると、地山変位によって外方より圧縮力を受ける。そして、バネ剛性を有する突起部材が棒部材の周面側に押されて、バネの反発力により棒部材が地山壁面と反対の地山側に剛体移動することになるため、変位抑制効果を向上できる。
また、突起部材のバネ反発力は、バネの作用に基づき力学的に算定することができることから、支保内圧Ｐｉも算定でき、最終的には地山壁面の変位抑制の程度を定量的に算出することが可能となる。これにより、従来のように熟練した技術者の経験や勘に頼っていたロックボルトの打設本数などを理論的に算出することで、高い施工品質を確保することができる。
【０００６】
また、本発明に係るロックボルトによれば、棒部材の頭部には、ベアリングプレートが付加されていることが好ましい。
本発明によれば、ロックボルトの頭部にはベアリングプレートが一体化して固定されていることから、突起部材を備えたロックボルトが地山から圧縮力を受けて地山側に剛体移動すると、ベアリングプレートも地山壁面を押す方向に移動することになる。このベアリングプレートが地山を押す力は支保内圧Ｐｉとなり、ロックボルトと地山の付着力を高めるとともに、地山壁面の変位抑制効果を向上することができる。
このため、例えばこのロックボルトをトンネルに適用した場合には、内空変位が抑制されることにより、トンネル内空断面が確保されて施工精度が向上する。さらに、支保効果を向上できるため、トンネル壁面の崩落が少なくなり、安全性の高い施工を実現できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のロックボルトによれば、ロックボルトは、外方から地山変位による圧縮力を受けると、バネ剛性を有する突起部材が棒部材の周面側に押されて、棒部材が地山壁面と反対の地山側に剛体移動することになるため、変位抑制効果を向上できる。
また、突起部材のバネ反発力は、バネの作用に基づき力学的に算定することができることから、支保内圧Ｐｉも算定でき、最終的には地山壁面の変位抑制の程度を定量的に算出することが可能となる。これにより、従来のように熟練した技術者の経験や勘に頼っていたロックボルトの打設本数などを理論的に算出することで、施工の確実性を向上することができる。
そして、例えば、ロックボルトの頭部にベアリングプレートが設けられると、ロックボルトの剛体移動とともにベアリングプレートも地山壁面を押す方向に移動する。このベアリングプレートの押付力は支保内圧Ｐｉとなり、ロックボルトと地山の付着力を高めるとともに、地山壁面の変位抑制効果を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態によるロックボルトについて、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるロックボルトの設置状態を示す全体図、図２は図１に示すロックボルトの斜視図、図３はロックボルトの羽根部材の拡大図、図４は図１に示すロックボルト及びトンネルに作用する力の状態図、図５はロックボルトにおける軸力分布を示す図である。
図１に示すように、本実施の形態によるロックボルト１はトンネル２に設置されたものであり、その設置状態は、トンネル壁面２ａから地山Ｇに向かって穿孔された穿孔穴３と、この穿孔穴３の内部に挿入されたロックボルト１と、穿孔穴３の内部でロックボルト１の周囲に充填されたモルタルなどの定着材４とで概略構成されている。
【０００９】
図１及び図２に示すように、ロックボルト１は、鉄筋棒などを主要母材とする棒部材５と、棒部材５の周面５ｃに突出して設けられ薄板バネの作用を有する複数の羽根部材６（突起部材）とを有している。
なお、この棒部材５は、軽量な金属製等の素材であることが好ましい。また、羽根部材６は、例えばロックボルト１の周囲に充填される定着材４の充填圧に対抗できるなど、十分なバネ剛性を有し、軽量な金属製等の素材とする。
【００１０】
ここで、地山Ｇに設置されたロックボルト１において、トンネル２に対して地山Ｇ側を先端部１ａとし、トンネル内空側を頭部１ｂとする（図１参照）。
図１に示すように、ロックボルト１の頭部１ｂにはネジ（図示省略）が形成され、頭部１ｂはトンネル壁面２ａからトンネル内空側に突出し、この頭部１ｂに平板形状をなすベアリングプレート７が備えられている。そして、ベアリングプレート７の中央に形成された円形孔７ａに、ロックボルト１が貫通して設けられている。
さらに、トンネル壁面２ａより突出したロックボルト１の頭部１ｂのネジにナット８が締め込まれて、ベアリングプレート７はトンネル壁面２ａに密着して固定されている。
【００１１】
ここで図３（ａ）は、ロックボルト１が地山Ｇに設置されていない場合における羽根部材６の状態を示すものである。
図３（ａ）に示すように、薄板バネからなる羽根部材６は、バネ作用の支点をなす固定端部６ａ（端部）が棒部材５の周面５ｃに固着され、固定端部６ａより頭部１ｂ側に位置する外方端部６ｂが棒部材５より外方に位置している。
そして、各々の羽根部材６は、棒部材５の長手方向に対して開き角度θをもって頭部１ｂ側（図３に示す下方向）に向かって開いた状態となっている。
なお、棒部材５における羽根部材６の取り付け数及び開き角度θは任意であり、地山Ｇの岩種や地山強度などの地山条件に合わせて適宜設計することがよい。
【００１２】
以上、図２に示すように、複数の羽根部材６が棒部材５を軸にして全周にわたって外方に開く配列構成であることから、本実施の形態によるロックボルト１は、いわゆる植物の「ねこじゃらし（エノコログサ）」のような外観を構成したものとなっている。
【００１３】
次に、本実施の形態によるロックボルト１の作用について図１乃至図５に基づいて説明する。
まず、図１に示すように、ロックボルト１は、例えば軟弱地山のように地山Ｇの補強が必要な箇所に従来型のロックボルトＲと同様の施工方法により施工する（図６参照）。
本実施の形態では、掘削したトンネル２に及ぼされる条件下において、図４に示すように、羽根部材６の開き方向をトンネル内空側に向けてロックボルト１を地山Ｇに設置すると、図６に示す従来型のロックボルトＲと同様に、ロックボルト１は外方から矢印Ｆ方向の圧縮力Ｐ１を受けることになる。
【００１４】
次に、図３（ａ）は、上述したように、ロックボルト１の外方より力を受けていない場合における羽根部材６の状態を示し、羽根部材６の外方端部６ｂは開き角度θで頭部１ｂに向かって外方に開いた状態である。
また、図３（ｂ）に示すように、圧縮力Ｐ１を受けた羽根部材６の外方端部６ｂは、矢印Ｆ方向で棒部材５の周面５ｃに向かって押されると、固定端部６ａを支点にして開き角度がθからθ１に変化する。
このように、羽根部材６が開き角度θ１となるとき、羽根部材６のバネ反発力が、固定端部６ａをロックボルト１の先端方向（矢印Ｈ方向）に移動させる作用を働かせることになる。
この固定端部６ａが矢印Ｈ方向に移動しようとする作用は、複数の羽根部材６が集合した力となり、棒部材５の剛体移動を可能とする力を引き起こす。
図１及び図４（ｂ）に示すように、このような作用により、羽根部材６を備えたロックボルト１は、地山Ｇから圧縮力Ｐ１を受けると、地山Ｇがトンネル内空側に変位する方向（矢印Ｄ方向）に逆行する矢印Ｈ方向に剛体移動する。
【００１５】
続いて、図４に示すように、ナット８によってロックボルト１と一体化し、トンネル壁面２ａに密着しているベアリングプレート７は、ロックボルト１が矢印Ｈ方向に剛体移動することによってトンネル壁面２ａに一層押し付けられる。
そして、ベアリングプレート７を介して矢印Ｉ方向に支保内圧Ｐｉが発生することになる。
【００１６】
次に、本実施の形態におけるロックボルト１の支保効果について、図５に基づいて説明する。
図５では、横軸はトンネル壁面２ａから打ち込まれたロックボルトＲ、１の先端までの距離を示し、縦軸にロックボルトＲ、１の長さ方向の位置における軸力（支保内圧Ｐｉ）を示した軸力分布図であり、図５（ａ）は図６に示した従来型のロックボルトＲの軸力分布Ｗ１、図５（ｂ）は本実施の形態による羽根部材６を備えたロックボルト１の軸力分布Ｗ２であり、夫々にベアリングプレート７が設置されている。
ここで、ロックボルトＲ、１の軸力は、支保内圧Ｐｉを換算して算出した値である。また、図５（ａ）及び（ｂ）の分布図中の横軸において、点０（トンネル壁面２ａ）がロックボルトＲ、１の頭部Ｒｂ、１ｂの位置、横軸の図中右端部が先端部Ｒａ、１ａの位置を示す。
【００１７】
従来型のロックボルトＲでは、上述したようにトンネル壁面２ａでトンネル内空方向（矢印Ｄ方向）に引張力が作用する。このため、ベアリングプレート７は、設置されていてもトンネル内空側に抜け出す方向に変位し、ベアリングプレート７によって地山Ｇを押し付ける力が低下することになる（図６参照）。
図５（ａ）に示すように、このときの従来型のロックボルトＲの軸力分布Ｗ１では、圧縮力Ｐ１を受けたロックボルトＲが先端部Ｒａ及び頭部Ｒｂの側に伸びるため、この両端に向かうにつれて軸力が低下する曲線となっている。従来型のロックボルトＲは、ベアリングプレート７の地山Ｇへの押付力が弱いため、頭部Ｒｂで支保内圧Ｐｉが小さくなる分布となっている。
【００１８】
これに対し、本実施の形態によるロックボルト１では、羽根部材６のバネ作用によってロックボルト１及びベアリングプレート７が矢印Ｈ方向に剛体移動するため、ベアリングプレート７はトンネル壁面２ａを押し付けることになり、トンネル壁面２ａで支保内圧Ｐｉが大きくなる。
図５（ｂ）に示すように、このときの軸力分布Ｗ２は、ロックボルト１の頭部１ｂで支保内圧Ｐｉが最大値となり、先端部１ａに向かって支保内圧Ｐｉが小さくなり先端部１ａでゼロとなる。このように、理論上では図５（ｂ）に示すような略三角形状の軸力分布となる。
【００１９】
上述したように実施の形態によるロックボルト１によれば、矢印Ｈ方向に移動する挙動は、従来型のロックボルトＲに作用する周面摩擦力に加え、羽根部材６のバネ反発力によって矢印Ｈ方向への剛体変位させる力が加わり、地山Ｇとロックボルト１との付着力が増すことになる（図４参照）。
そして、図５（ｂ）に示すように、トンネル壁面２ａで支保内圧Ｐｉが最も大きくなることから、従来型のロックボルトＲと比較してトンネル壁面２ａの変位抑制効果を向上させることができる。
また、本実施の形態によるロックボルト１では、ベアリングプレート７とトンネル壁面２ａとの密着度が不足している場合であっても、ベアリングプレート７にトンネル壁面２ａ方向への押付力が作用するため、上述した支保内圧Ｐｉが大きくなり、変位抑制効果を得ることができる。
このようなことにより、トンネル壁面２ａの崩落が少なくなるとともに、安全性の高いトンネル２を施工することができる。そして、トンネル壁面２ａの内空変位を抑制できることから、トンネル２の内空断面が確保され、施工精度の向上を図ることができる。
また、羽根部材６をなす薄板バネのバネ反発力は、バネ作用に基づき力学的に算定することができる。したがって、支保内圧Ｐｉも算定でき、最終的にはトンネル内空変位抑制の程度を定量的に算出することが可能となる。これにより、従来のように熟練した技術者の経験や勘に頼っていたロックボルトの打設本数などを理論的に算出することで、高い施工品質を確保することができる。
【００２０】
以上、本発明によるロックボルトの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本発明による実施の形態では、トンネル２に羽根部材６が備えられたロックボルト１を適用したものであるが、トンネル２に限らず、例えば地上の明り工事における補強土工法などに用いられるアンカーに羽根部材６を備えたロックボルト１を適用してもよい。
また、本実施の形態では、羽根部材６を薄板バネとしているが、これに限定されることはない。要は、バネ剛性を有し本実施の形態で示したようなロックボルト１の効果が得られる羽根部材６であればよく、この羽根部材６の形状や種類は何れであってもよい。
さらに、本実施の形態によるロックボルト１では、主要母材となる棒部材５に鉄筋などの金属製の材料を使用しているが、鉄筋と同等あるいはそれ以上の強度や軸剛性が期待され、軽量化を図ることができるＧＦＲＰ（ガラス繊維補強プラスチック）又はＣＦＲＰ（炭素繊維補強プラスチック）を使用してもよい。これにより、羽根部材６のバネ作用がより効果的に発揮でき、地山Ｇに対する支保効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態によるロックボルトの設置状態を示す全体図である。
【図２】図１に示すロックボルトの斜視図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、ロックボルトの羽根部材の拡大図である。
【図４】図１に示すロックボルト及びトンネルに作用する力の状態図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、ロックボルトにおける軸力分布を示す図である。
【図６】従来型のロックボルトの設置状態を示す全体図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  ロックボルト
２  トンネル
５  棒部材
６  羽根部材（突起部材）
６ａ  固定端部（端部）
６ｂ  外方端部
７  ベアリングプレート
Ｇ  地山
Ｐ１  圧縮力
Ｐｉ  支保内圧
θ  開き角度
【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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