(57)【要約】      （修正有）【課題】異形管への変形加工時や加圧・膨張時に導入される歪み量を低減し、加圧・膨張時にも割れの危険性が少ない信頼性の高い高耐力鋼管膨張型ロックボルトを提供する。【解決手段】４９０〜６４０Ｎ／ｍｍ2の引張り強さ、２０％以上の伸びを有する１．８〜２．３ｍｍ厚の鋼板を素材とし、外径５０〜５５ｍｍに造管された鋼管を、ロール成形法により、円周部分とそれに続く凹部で外周が構成され、外径３４〜３８ｍｍの寸法と、引張り強さ５３０〜６９０Ｎ／ｍｍ2及び伸び２０％以上の引張り特性を有する異形管に変形した後、所定長さに切断し、両管端を封止するとともに片端に加圧流体圧入孔を穿設する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚が１．８〜２．３ｍｍで外径が３４〜３８ｍｍの寸法を有し、引張り強さ５３０〜
６９０Ｎ／ｍｍ2と伸び２０％以上の引張り特性を備えた異形管から構成されていることを特徴とする高耐力鋼管膨張型ロックボルト。
【請求項２】
４９０〜６４０Ｎ／ｍｍ2の引張り強さ、２０％以上の伸びを有する１．８〜２．３ｍｍ厚の鋼板を素材とし、外径５０〜５５ｍｍに造管された鋼管を、ロール成形法により、円周部分とそれに続く凹部で外周が構成され、３４．０〜３８．０ｍｍの外径寸法を有する異形管に変形した後、所定長さに切断し、両管端を封止するとともに片端に加圧流体圧入孔の穿設を行うことを特徴とする高耐力鋼管膨張型ロックボルトの製造方法。
【請求項３】
加圧流体圧入側端部に縮径加工を施した後、外径４０〜４２ｍｍのスリーブを被せて異形管とスリーブ間を溶接して封止し、その後に、スリーブ被着部にロックボルト内部まで通じる加圧流体圧入孔を穿設する請求項２に記載の高耐力鋼管膨張型ロックボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に流体を圧入し、流体圧で管体を半径方向に膨張させることによって岩盤に設けた孔内に管体を充満させる高耐力を有する鋼管膨張型ロックボルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管膨張型ロックボルトは、特許文献１に記載されているように、軸方向にわたって１以上の膨張用凹部を有する中空の異形管である。図１に示すように、岩盤や地盤２に穿った孔に、端部が密封され、膨張用凹部が形成された鋼管１を挿入し（図２のａ）、この鋼管を、圧力流体３を利用して膨張させ（図２のｂ）、孔と鋼管を密着させる（図２のｃ）ことによって岩盤や地盤を鋼管で固結させるものである。
圧力流体による加圧で膨張させ易くするために、鋼管に予め軸方向にわたって凹部を設けていることが多い（図２のａ参照）。凹部が設けられた異形管の、孔に挿入する先端部は完全に密封され、圧力流体を圧入する側の後端部も密封された後、流体流入孔が穿たれている。そして、密封し、圧力流体を圧入し易くするために、異形管の両端にスリーブが被着されている（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
ところで、トンネル等の現場にあっては、作業工程の標準化を図って全体としてコスト低減に資する等の理由から、岩盤や地盤に同一径の孔が穿たれ、同一外径サイズの鋼管膨張型ロックボルトが用いられている。例えば、５４ｍｍ径の素管を図２（ａ）に示すような３６ｍｍ径に変形させた異形管を４５〜５０ｍｍ径の孔に挿入し、膨張・固着させている。
鋼管膨張型ロックボルトとしては、地山条件，地山等級やトンネル断面形状等に応じて耐力レベル１１０ｋＮ又は１７０ｋＮのものが使い分けられている。
このような背景のもとに、例えば、引張り強さが３００Ｎ／ｍｍ2級以上の鋼板を用い、前者（１１０ｋＮ耐力）は伸びが３０％程度の２ｍｍ厚の素材鋼板から、後者（１７０ｋＮ耐力）は伸びが３５％程度の３ｍｍ厚の素材鋼板から、それぞれ外径５４ｍｍに造管され、外径３６ｍｍに変形加工された異形管がロックボルトとして用いられている。
【０００４】
【特許文献１】特公平２−５２０号公報
【特許文献２】特表２００３−５０１５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
異形管の断面は、図２（ａ）に見られるように、部分的には小さな曲げ半径にまで曲げ加工が施されていることになる。異形管の外径寸法を揃えると、素材の板厚が厚くなるほど素材板厚中心部の曲げ半径は小さくなる。また、内径，外径のサイズが統一されたスリーブに端部を収容させるためには、異形管の両端部にはさらに縮管工程が付加される。板厚の厚い素材を用いたものほど、形成される曲げ半径が小さくなるように成形されることが必要になる。
すなわち、スリーブのサイズ、異形管の外径を変更することなくロックボルトの耐力を高めるために素材鋼板の板厚を厚くしようとすると、部分的な曲げ半径が小さくなる。
【０００６】
板厚が厚い素材鋼板から製造された異形のロックボルトは、曲げ半径が小さくなるように異形に変形され、縮管される過程で導入され、あるいは加圧・膨張時に導入される歪み量が多く残存させていることになる。このため、さらに加圧・膨張しようとするときに割れる恐れがある。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、異形管に変形加工するとき、あるいはロックボルトを加圧・膨張させるときに導入される歪み量を低減し、加圧・膨張時にも割れの危険性が少ない、信頼性の高い高耐力鋼管膨張型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】
【０００７】
本発明の高耐力鋼管膨張型ロックボルトは、その目的を達成するため、板厚が１．８〜２．３ｍｍで外径が３４〜３８ｍｍの寸法を有し、引張り強さ５３０〜６９０Ｎ／ｍｍ2と伸び２０％以上の引張り特性を備えた異形管から構成されていることを特徴とする。
このようなロックボルトは、４９０〜６４０Ｎ／ｍｍ2の引張り強さ、２０％以上の伸びを有する１．８〜２．３ｍｍ厚の鋼板を素材とし、外径５０〜５５ｍｍに造管された鋼管を、ロール成形法により、円周部分とそれに続く凹部で外周が構成され、３４〜３８ｍｍの外径寸法を有する異形管に変形した後、所定長さに切断し、両管端を封止するとともに片端に加圧流体圧入孔の穿設を行うことで製造される。
加圧流体圧入孔の穿設は、前記異形管の加圧流体圧入側端部に縮径加工を施した後、外径４０〜４２ｍｍのスリーブを被せて異形管とスリーブ間を溶接して封止した後に、スリーブ被着部にロックボルト内部まで通じるように設けることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の高耐力鋼管膨張型ロックボルトは、板厚が従来よりも薄い鋼板から製造されている。このため異形管の外径寸法を同じと仮定したとき、異形部を構成する湾曲部分の板厚中心部最小曲げ半径が、従来の厚い板厚の鋼板を用いたものと比べて大きくなる。板厚が薄いほど、異形管への変形の際、あるいはロックボルトを加圧・膨張させる際の歪み導入量が少ないので、累積歪み量も少なく、加圧・膨張時に割れる危険性を回避することができる。
【０００９】
高張力鋼を素材として鋼管膨張型ロックボルトを製造すると、板厚の薄い鋼板を使用できるので、上記のように累積歪み量が低減でき、信頼性の高いロックボルトを得ることができる。
さらに、板厚を薄くすることにより、同じ外径サイズのロックボルトとしても重量が軽くなるので、現場での取り扱いが容易になり、作業性が向上する。
さらにまた、ロックボルトの板厚を薄くすると、加圧・膨張時に、板厚が厚いものと比較して付加水圧が低い段階で異形管の凹部の膨出変形が始まる。膨出変形が開始した後も低い水圧で変形が進行する。したがって、高圧ポンプの負荷が軽減でき、比較的低い吐出圧力でより多くの流量の高圧水を吐出・供給することができ、結果的に加圧・膨張に要する時間を短縮することが可能になる。前記軽量化と併せて、作業効率を飛躍的に向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
例えば、現場施工したとき１７０ｋＮの耐力を得るために、引張り強さが３００Ｎ／ｍｍ2級で伸びが３５％程度の３ｍｍ厚の素材鋼板から５４ｍｍ径に造管され、３６ｍｍ径に異形変形加工されて４００Ｎ／ｍｍ2の引張り強さを有する異形管がロックボルトとして用いられている。
このような１７０ｋＮ級の耐力ロックボルトについて、加圧・膨張時に割れが発生することを抑制して信頼性を高めるために、本発明では、素材鋼板として高強度の鋼板であって板厚の薄いものを使用した。
【００１１】
具体的には、４９０〜６４０Ｎ／ｍｍ2の引張り強さ、２０％以上の伸びを有する鋼板を使用した。このような高強度の鋼板を素材として用いると、板厚が１．８〜２．３ｍｍ程度であっても、５４ｍｍ径に造管し、３６ｍｍ径程度に異形変形加工した後の異形管は５４０Ｎ／ｍｍ2程度の引張り強さを有し、ロックボルトに作りこんで岩盤に設けた孔に挿入し、加圧・膨張させて岩盤と固着させたとき、１７０ｋＮの耐力が得られることを確認した。
【００１２】
本発明は、基本的には、ロックボルトを構成している鋼材の板厚を薄くすることを主たる目的とするものである。
板厚を薄くすることにより、図２（ａ）に示すような断面形状の異形管に変形させるとき、最も曲げ変形を受ける部位の曲げ半径を比較的大きくすることができている。例えば、外径５４ｍｍの鋼管を、図２（ａ）に示すような異形に変形して、外側曲げ半径が５ｍｍの曲げ部が形成されるとき、素材鋼管の板厚が３ｍｍの場合には内側曲げ半径は２ｍｍになっているのに対して、素材鋼管の板厚が２ｍｍの場合には内側曲げ半径は３ｍｍになる。板厚が薄いと、曲げ半径が大きいので変形時の累積歪み量は少なく、その後、割れ発生までの限界累積歪みまでの許容歪み量が多いので、加圧・膨張時に割れが発生する危険性が低くなる。
【００１３】
ロックボルトを構成している鋼材の板厚が２．３ｍｍを超えるようでは、曲げ半径を大きくする効果は得難い。板厚が１．８ｍｍに満たない鋼材では、１７０ｋＮの耐力を得ようとすると、６４０Ｎ／ｍｍ2を超えるほどの高張力の鋼を使用せざるを得ない。しかしながら、６４０Ｎ／ｍｍ2を超えるほどの高張力鋼では、異形管に変形させるだけの伸びが確保できず、現状の鋼材では、外径５０〜５５ｍｍ程度の鋼管から異形のロックボルトを製造することは極めて困難である。また、４９０Ｎ／ｍｍ2に満たない引張り強さでは、外径５０〜５５ｍｍ程度の鋼管で、１７０ｋＮ級の耐力を有するロックボルトは得難い。伸びに関しても、２０％以上必要である。２０％に満たないと、加圧・膨張の過程で異形管がバースト（破裂）する恐れがある。
【００１４】
ところで、鋼管膨張型ロックボルトは、例えば図２（ａ）に示されているような断面形状に変形加工されている。そして、内部に圧力流体を圧入し、凹部を反転・膨出させ、元の円形断面に戻すように加圧・膨張させるときの鋼管と岩盤の固着力で岩盤を補強しようとするものである。
そして、変形された異形管の板厚が異なるとき、それぞれに形成されている凹部を反転・膨出させるに必要な圧力も変わってくる。異形管の外径、及び各異形管に形成されている凹部の形状が略同じの場合、板厚が厚い異形管の凹部を反転・膨出させるに必要な圧力は、板厚が薄い異形管の凹部を反転・膨出させるに必要な圧力よりも大きくなる。これは、折りたたまれた異形管を加圧・膨張させることによって、曲げ戻し変形を生じさせるのに必要なモーメントが概略（ｔ2ｂ／４）×σe（ただし、ｂ：板幅，σe：降伏応力）で表わされ、板厚ｔの２乗に比例して増加するためである。
【００１５】
ハイドロポンプで容器内に流体を圧入し、容器内を所定圧にまで昇圧するとき、容器内の圧力が低い段階ではポンプからの流体供給量は多いが、容器内の圧力が高くなるにつれ、流体供給量は少なくなって行く。
したがって、凹部膨出開始圧力が低いということは、それまでに低圧の圧力で多量の流体を供給できる。逆に凹部膨出開始圧力が高ということは、容器内が次第に高圧になって流体供給量が次第に少なくなることを意味し、高圧に達するまでに長時間の流体供給を続ける必要があることになる。
【００１６】
例えば、図３に空気／水の断面積比が６５：１のハイドロポンプに０．６ＭＰａの圧力の空気を供給した際の、高圧水の吐出量と吐出圧力との関係の性能表を示す。ここで、仮に、板厚が２ｍｍの異形管凹部の膨出を開始させるに必要な圧力を７ＭＰａ、板厚が３ｍｍの異形管凹部の膨出を開始させるに必要な圧力を１７ＭＰａとして、供給空気圧０．６ＭＰａでロックボルトを加圧膨張させようとするとき、ボルト内の圧力に応じて高圧水の供給量は次のようになる。
【００１７】
図３に従うと、吐出量１３Ｌ／ｍｉｎから次第に少なくなり、ロックボルト内の圧力が７ＭＰａにまで昇圧されたときには吐出量は１０．６Ｌ／ｍｉｎになっている。この時点で板厚が２ｍｍの異形管凹部の膨出が始まる。しかし、板厚が３ｍｍの異形管凹部はまだ膨出を開始せず、１７ＭＰａになった時点で膨出が始まる。この時点での吐出量は７．２Ｌ／ｍｉｎである。そして、異形管凹部の膨出が始まった後は、その開始圧力以下の加圧力で膨出変形が進行する。凹部の膨出が始まった後の膨出形態は板厚の違いによらず、一様である。岩盤に穿たれた挿入孔の径にまで膨出された後には、異形管を膨張させるための加圧力の他に、岩盤を押圧するための加圧力が必要になる。
【００１８】
すなわち、板厚が２ｍｍの鋼管と比べて板厚が３ｍｍの異形管の場合には、さらにロックボルト内の圧力を７ＭＰａから１７ＭＰａにまで高めるために、図３の吐出圧力７〜１７ＭＰａに沿った吐出量での高圧水の供給を続けなければならず、その分だけポンプの作動時間は長くなる。さらに、膨出変形を進行させるのに必要な圧力も２ｍｍ厚のものの膨出変形を進行させる場合よりも高く、吐出量の少ない高圧水の供給で変形を続ける必要がある。したがって、板厚が厚い異形管を用いた場合、板厚が薄い異形管を用いた場合に比べて、加圧・膨出に長時間を要することになる。
このような理由から、板厚の薄い鋼板を素材としたロックボルトは、厚い板厚の鋼板を素材としたロックボルトと比べて、短時間で加圧・膨張させることができる。すなわち、加圧・膨張の点からも、高張力で板厚の薄い鋼板を素材としたロックボルトの方が優れている。
【００１９】
次に、本発明ロックボルトの製造方法について説明する。
所定の機械的特性を有する板厚１．８〜２．３ｍｍの鋼板を用い、通常の造管法により、外径５０〜５５ｍｍの鋼管を製造する。造管法としては、高周波溶接法の他にレーザ溶接法やＴＩＧ溶接法等が採用できる。この鋼管に、公知のロール成形法を適用して、例えば図２（ａ）に示すような、円周部分とそれに続く凹部で外周が構成された凹型断面形状を有し、外径３４〜３８ｍｍの異形管を製造する。
具体的な異形管製造方法としては、本発明者等が特開２００３−１４５２１６号公報で提案した方法を採用することが好ましい。
【００２０】
その製造工程を図４に従って概略的に説明する。まず、高周波溶接法等で造管された鋼管を準備し（ａ）、凹異形管の凹部の周方向長さと、凹部以外の周方向長さにほぼ適合するように円弧の半径ならびに角度を設定した大小２種類の凸曲面よりなる断面にロール成形する（ｂ）。その後、前記２種類の凸曲面の内、曲率半径の大きい面の中央表面から円盤状ロールを当て前記曲率半径の大きい面を管の内側に窪ませるようにロール成形する（ｃ）。その後さらに、中央が窪み樋状に湾曲した断面の両側にロールを当て樋状開口部を狭めて管外径を小さくロール成形して（ｄ），（ｅ）、半径方向に窪ませたくぼみを軸方向にわたって長く形成したロックボルト用異形管を製造する。
【００２１】
上記各過程を、使用するロール形状を説明しながら詳細に説明する。
第一の成形工程にあっては、素管Ｍを、図５に示すような曲率半径の大きい凹みをもつロール１１とそれよりも曲率半径の小さいロール１２とからなる成形スタンドを通す。この段階の成形は、曲率半径を順次大きくした２段階のスタンドとすることもできる。
次に第二の成形工程にあっては、図６に示すように、前記第一の成形工程で使用した曲率半径の小さい凹部をもつロールと同じかそれよりも小さい曲率半径の凹部をもつロール２２と、端部の曲率半径が小さい円盤状の凸ロール２１とからなる成形スタンド間を、変形された素管Ｍの曲率半径が大きい方の凸曲面中央に前記円盤状のロール２１を押付けるように通す。この段階での成形は、凸ロール２１及び凹ロール２２とも曲率半径を順次小さくした２段階のスタンドとすることもできる。この段階での素管Ｍの断面は、中央が窪み樋状に湾曲した形状となっていて、管の外形は、素管Ｍの最初の径に近い半円形状である。
【００２２】
岩盤に穿たれた孔は素管の径よりも小さくされているので、異形管の外径を、挿入する孔よりも小さくする必要がある。そこで、第三の成形工程においては、図７に示すように、素管Ｍの最初の径よりも曲率半径の小さい曲率半径の凹部を有する一対のロール３１，３２からなる成形スタンド間を通し、樋状開口部を狭めて管外径を小さくする。この段階にあっても、曲率半径を順次小さくした２段階のロール間を通す成形としても良い。この際、ロールの曲率半径を小さくすると、管の凸部がロールギャップからはみ出して、全体の形状がいびつな形になることがあるので、図７の（ｂ）に示すように、反対側に押えロール３３を配置することが好ましい。
本願の請求項２は、ロール成形法について請求し、上記形態もロール成形法に基づくものである。しかしながら、請求項１の記載で特定される異形管は、ロール成形法に限定されることなく、他のロール成形法や押出成形法、あるいはプレス成形法を用いて成形されたものであっても良い。
【００２３】
このような方法で製造された異形管を所定長さに切断した後、両端を封止し、その片方に流体導入孔を設ける。挿入側先端の封止は、例えば、端部から８０ｍｍ分を縮管金型にて直径３２〜３４ｍｍに縮管した後、縮管部に外径３６〜４０ｍｍ、肉厚２．０〜３．０ｍｍ、長さ６０〜８０ｍｍのスリーブを被せ、さらに先端開口部に管端封止用ポンチを圧入することによってポンチの口金に沿った密着扁平状態に成形し、溶接により封止する。もう一方の圧力流体圧入側の封止は、同様に縮管した後、外径４０〜４２ｍｍ、肉厚３．５〜４．５ｍｍ、長さ６０〜８０ｍｍのスリーブを被せ、管端封止用ポンチを圧入することによりポンチの口金に沿った密着扁平状態に成形し、溶接により封止する。その後、スリーブ端から所定距離離れた箇所のスリーブ側面に異形管をも貫通するように加圧流体圧入孔を穿設する。
圧力流体圧入側の管端に被せるスリーブとしては、引抜試験の際のチャッキングを確実に行わせるための環状凹溝が設けられたものを用いることが好ましい。
【実施例】
【００２４】
引張り強さが４９０Ｎ／ｍｍ2で、伸びが２８％の板厚２．１ｍｍの鋼板を素材として、外径が５４ｍｍの素管を高周波溶接法で造管した。造管された鋼管にロール成形を施し、図２（ａ）に示す断面形状の外径３６ｍｍの異形管を製造した。なお、この異形管は、
５５０Ｎ／ｍｍ2の引張強さを有していた。
この異形管を４ｍの長さに切断し、その両端の７５ｍｍ長さ分に、外径３３．１ｍｍの縮管加工を施した。一方の縮管部に、内径３３．１ｍｍ，外径３８．１ｍｍ，肉厚２．５ｍｍ，長さ７０ｍｍの挿入側スリーブを被着し、溶接法で端部を封止した。もう一方の縮管部には、内径３３．１ｍｍ，外径４１．１ｍｍ，肉厚４．０ｍｍ，長さ７０ｍｍの圧力流体圧入側スリーブを被着し、溶接法で端部を封止した。そして、圧力流体圧入側スリーブの側面に径３．０ｍｍの圧力流体圧入用のキリ孔を、異形管をも貫通するように設け、鋼管膨張型ロックボルトを製造した。製造した鋼管膨張型ロックボルトの耐力を、現場に打設された状態を想定して加圧・膨張後の試験体を調査した結果、１７０ｋＮの耐力を満足することが確かめられた。
【００２５】
比較のために、素材として引張り強さ３００Ｎ／ｍｍ2で、伸びが３５％の板厚３．０ｍｍの鋼板を用いた点以外は、上記実施例と同じ手順及び同サイズで鋼管膨張型ロックボルトを製造した。
両ロックボルトを対比すると、２ｍｍ厚の素材を用いた実施例品は変形加工での累積歪み歪みが少ないばかりでなく、鋼管としての耐力も２ｍｍ厚の素材を用いた比較例品よりも、また、重量も３ｍｍ厚の素材を用いた比較例品よりも約３割軽くなっている。
このため、本発明の実施例品は信頼性が高く、またトンネル等の作業現場での作業性に優れることがわかる。
【００２６】
次に、上記実施例及び比較例の２本の鋼管膨張型ロックボルトに加圧・膨張用シールヘッドを被せ、ポンプから高圧水を圧入して、それぞれのロックボルトを加圧・膨張させた。
２ｍｍ厚の素材を用いた実施例品では、ロックボルト内の水圧が７ＭＰａに達した時点で、図２（ａ）に示す凹部が膨出変形を始め、その後５ＭＰａの水圧で凹部の変形が進行していたので、この進行の間は５ＭＰａの水圧下で毎分１１．３Ｌの水が供給され、凹部の変形が完了するまでに、３１秒を要した。
これに対して、３ｍｍ厚の素材を用いた比較例品では、図２（ａ）に示す凹部が膨出変形を始めるのに１７ＭＰａの高圧を必要とし、凹部の膨出変形を進行させるために１０ＭＰａの圧力を要していた。そしてこの間の水圧１０ＭＰａの高圧水供給量は、毎分９．６Ｌであった。凹部の変形が完了するまでに、４１秒を要した。
【００２７】
上記の結果から、本発明品は、所定の膨張状態を得る間での加圧作業の時間を従来の約３／４に短縮できることがわかる。使用するロックボルトの本数が数百〜数千に及ぶトンネル等の岩盤補強工事にあっては、この時間短縮はロックボルト打設作業の工期短縮に大きく寄与する。
このように、ロックボルトの軽量化と打設作業の短縮化により、岩盤補強工事の作業効率を大幅に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】鋼管製ロックボルトを膨張させて地盤を補強する方法の説明図
【図２】拡管前と、拡管後の圧力のかかり方を説明する図
【図３】ハイドロポンプの性能を示す図
【図４】異形管を膨張変形させていく過程での断面形状を説明する図
【図５】第一工程で使用するロール形状を説明する図
【図６】第二工程で使用するロール形状を説明する図
【図７】第三工程で使用するロール形状を説明する図
【符号の説明】
【００２９】
１：鋼管製ロックボルト      ２：岩盤      ３：流体加圧装置      
【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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