(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地山の変形，強度パラメータに基づいて、鏡面の押出量および局所安全率を有限差分法により解析して、前記鏡面に補強用鏡ボルトの打設が必要であると判断されたときの鏡ボルトの設計方法であって、前記地山の変形，強度パラメータに加えて、前記鏡ボルトの定着パラメータと前記鏡ボルトのヤング率などの力学的パラメータを追加し、かつ、所定配置状態の前記鏡ボルトを打設する条件で、前記有限差分法により解析して、前記鏡面の押出量と局所安全率とが基準値以内に収まる前記鏡ボルトの打設本数を決定することを特徴とする鏡ボルトの設計方法。
【請求項２】
前記有限差分法による解析結果で、鏡面の押出量と局所安全率とが基準値以内に入っていないと判断した際には、前記鏡ボルトの付着切れ長と前記鏡ボルトのラップ長との関係からラップ長変更の要否を判断し、この後に、前記鏡ボルトの降伏の有無を判断して、前記鏡ボルトの打設本数の増加を決定することを特徴とする請求項１記載の鏡ボルトの設計方法。
【請求項３】
前記打設本数を決定した後に、当該打設本数が規定値以内に含まれているか否かを判断し、規定値以内に含まれていない場合には、前記鏡ボルトの配置状態を変更して、前記有限差分法の解析を繰り返すことを特徴とする請求項１または２記載の鏡ボルトの設計方法。
【請求項４】
前記鏡ボルトの配置状態を変更した後に、前記有限差分法の解析を行って、前記鏡ボルトの打設本数を決定した後に、決定された打設本数が規定値以内に含まれているか否かを判断して、規定値以内に含まれていない場合には、他の補強工法を採用することを特徴とする請求項３記載の鏡ボルトの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鏡ボルトの設計方法に関し、特に、鏡ボルトの材料の力学特性と付着特性とを定量的に考慮する設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘削工事で、切羽が自立しないような不良地山においては、鏡面に補強用の鏡ボルトを打設して、切羽の補強が行われている。このような鏡ボルトを打設する際には、トンネル掘削に先立って、打設本数や打設長などの鏡ボルトの設計が行われる。
【０００３】
このような鏡ボルトの設計方法としては、従来、過去の実績・経験に基づいて、打設長，配置，所要本数などが決められていたが、このような従来の鏡ボルトの設計方法には、以下に説明する課題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来の設計方法では、過去の実績・経験に基づいて、打設長，配置，所要本数などを設計していて、設計法が確立されておらず、設計基準も明確でなく、適切な切羽の補強効果が得られるような設計を合理的に行うことができなかった。
【０００５】
また、実際に施工した鏡ボルトの補強効果が不明であり、鏡ボルトの特性を有効に反映させることができなかった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ボルト材料の力学特性と付着特性とを定量的に考慮することで、合理的で適切な設計が可能になる鏡ボルトの設計方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、地山の変形，強度パラメータに基づいて、鏡面の押出量および局所安全率を有限差分法により解析して、前記鏡面に補強用鏡ボルトの打設が必要であると判断されたときの鏡ボルトの設計方法であって、前記地山の変形，強度パラメータに加えて、前記鏡ボルトの定着パラメータと前記鏡ボルトのヤング率などの力学的パラメータを追加し、かつ、所定配置状態の前記鏡ボルトを打設する条件で、前記有限差分法により解析して、前記鏡面の押出量と局所安全率とが基準値以内に収まる前記鏡ボルトの打設本数を決定するようにした。このように構成した鏡ボルトの設計方法によれば、地山の変形，強度パラメータに加えて、鏡ボルトの定着パラメータと鏡ボルトのヤング率などの力学的パラメータを追加し、かつ、所定配置状態の鏡ボルトを打設する条件で、有限差分法により解析して、鏡面の押出量と局所安全率とが基準値以内に収まる鏡ボルトの打設本数を決定するので、ボルト材料の力学特性と付着特性とを定量的に考慮した合理的で適切な設計が可能になる。
【０００８】
前記有限差分法による解析結果で、鏡面の押出量と局所安全率とが基準値以内に入っていないと判断した際には、前記鏡ボルトの付着切れ長と前記鏡ボルトのラップ長との関係からラップ長変更の要否を判断し、この後に、前記鏡ボルトの降伏の有無を判断して、前記鏡ボルトの打設本数の増加を決定することができる。本発明では、前記打設本数を決定した後に、当該打設本数が規定値以内に含まれているか否かを判断し、規定値以内に含まれていない場合には、前記鏡ボルトの配置状態を変更して、前記有限差分法の解析を繰り返すことができる。
【０００９】
また、本発明では、前記鏡ボルトの配置状態を変更した後に、前記有限差分法の解析を行って、前記鏡ボルトの打設本数を決定した後に、決定された打設本数が規定値以内に含まれているか否かを判断して、規定値以内に含まれていない場合には、他の補強工法を採用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１から図５は、本発明にかかる鏡ボルトの設計方法の一実施例を示している。図１は、鏡ボルトの設計を行う際の、設計手順を示しており、鏡ボルトの設計を行う場合には、まず、鏡面に補強用鏡ボルトを打設する必要があるか否かが、ステップｓ１〜ｓ４で判断される。
【００１１】
この判断を行う場合には、鏡面の面積，形状などの掘削条件とともに、地山の変形・強度パラメータが、ステップｓ１で設定入力される。これらのパラメータは、地山の弾性係数，ポアソン比，粘着力，内部摩擦係数などであり、これらの各パラメータは、トンネル掘削の工事現場から試料を採取して、室内実験により予め測定される。
【００１２】
地山の変形・強度パラメータが、ステップｓ１で設定入力されると、次のステップｓ２で、有限差分法による３次元数値解析（鏡面無補強のケース）が実行される。
【００１３】
この解析ソフトプログラムは、たとえば、市販されているＦＬＡＣ３D（Ｆａｓｔ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕａ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ、Ｉｔａｓｃａ ＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＧｒｏｕｐ，Ｉｎｃ製、商品名）を採用することができる。
【００１４】
そして、この数値解析により、鏡面の押出量Ｔ０と局所安全率ＳＦ０とが算定されると、次のステップｓ３で、押出量Ｔ０が基準値以内であるか否かが判断される。
【００１５】
なお、この場合、局所安全率ＳＦ０は、以下の式で定義される。ＳＦ０＝｛２Ｃｃｏｓφ＋（σ１+σ３）ｓｉｎφ｝／（σ１−σ３）但し、Ｃ：地山の粘着力 φ：地山の内部摩擦角 σ１：地山の最大主応力 σ３：地山の最小主応力とする。
【００１６】
この判断で、押出量Ｔ０が基準値以内にない場合には、鏡ボルトの打設が必要になるので、ステップｓ６に移行するとともに、押出量Ｔ０が基準値以内の場合には、ステップｓ４に移行する。
【００１７】
ステップｓ４では、局所安全率ＳＦ０に基づいて、切羽の鏡面の安全性が基準値と比較することにより判断され、局所的な崩壊があると予測される場合でも、鏡ボルトの打設が必要になるとしてステップｓ６に移行する。
【００１８】
一方、ステップｓ４で、局所安全率ＳＦ０が基準値以内であると判断された場合には、切羽の鏡面の補強が不要で、鏡ボルトの打設は必要なし（ステップｓ５）として、設計手順が終了する。
【００１９】
他方、切羽の鏡面の補強が必要で、鏡ボルトの打設が必要であると判断されると、ステップｓ６で、鏡ボルトの定着パラメータと鏡ボルトのヤング率などの力学的パラメータの追加が行われる。
【００２０】
図２は、定着パラメータを取得する場合の詳細を示している。本実施例の設計方法で用いる定着パラメータは、鏡ボルトの定着特性を定量的に評価するために、鏡ボルトを打設した際の、鏡ボルトの定着剛性Ｋｂｏｎｄと付着強度Ｓｂｏｎｄとする。
【００２１】
これらの定着パラメータは、施工現場での引抜き試験を実施して、鏡ボルトの引抜き荷重と軸力分布とを測定する。なお、鏡ボルトは、通常、鏡面に所定の穿孔を設け、その内部に鋼棒などの補強材を挿入して、モルタルなどの定着材で地山に定着させるので、引抜き試験は、これと同じようにして行う。
【００２２】
そして、このような引抜き試験とは別に、予め、有限差分析により解析することによって、図３，４に示す定着剛性Ｋｂｏｎｄと付着強度Ｓｂｏｎｄとのチャート図を取得しておく。
【００２３】
そして、図３に示す定着剛性Ｋｂｏｎｄに関するチャート図に、定着切れのない荷重範囲内での測定値をプロットして、最も近似した曲線を選択して、定着剛性Ｋｂｏｎｄを決定する。
【００２４】
ついで、同様な手法により、図４に示すようなチャート図に、定着切れが生じる荷重範囲内での測定値をプロットして、最も近似した曲線を選択して、付着強度Ｓｂｏｎｄを決定する。なお、このような定着パラメータの取得ないしは決定方法は、その詳細が、特開平１１−８１８９９号公報に開示されている。
【００２５】
一方、力学的パラメータは、図５に示すように、鏡ボルトに用いる鋼棒などの補強材の引張試験などを行い、ヤング率Ｅ，降伏点Ｐｙ，破断ひずみεｆなどの力学特性を測定し、これを力学的パラメータとする。
【００２６】
以上の鏡ボルトの定着パラメータと鏡ボルトのヤング率などの力学的パラメータの追加が行われると、次のステップｓ７で、再び有限差分法による３次元数値解析が実行される。
【００２７】
この場合の３次元数値解析は、鏡ボルトを設置するとの条件で行われるものであり、この解析を行う際には、鏡ボルトの配置状態と総本数Ｎ０が設定される。鏡ボルトの配置状態は、例えば、鏡面に対して、前後左右に同じ間隔を設けて、均等に配置する。
【００２８】
この場合の３次元解析では、所定の条件で鏡ボルトを設置するとして鏡面の押出量Ｔ１および局所安全率ＳＦ１と付着きれ長Ｌとが算定され、次のステップｓ８で、押出量Ｔ１が基準値以内であるか否かが判断される。
【００２９】
この判断で、押出量Ｔ１が基準値以内にない場合には、ステップｓ１０に移行するとともに、押出量Ｔ１が基準値以内の場合には、ステップｓ９に移行する。
【００３０】
ステップｓ９では、局所安全率ＳＦ１に基づいて、切羽の鏡面の安全性が基準値と比較することにより判断され、局所的な崩壊があると予測される場合には、ステップｓ１０に移行する。
【００３１】
なお、この場合、押出量Ｔ１や局所安全率ＳＦ１の基準値は、前述したステップｓ３，４と同じ値が用いられる。ステップｓ１０では、付着切れ長Ｌが鏡ボルトのラップ長よりも長いか否かが判断される。
【００３２】
鏡面を補強するための鏡ボルトは、切羽の掘削に伴ってトンネル軸方向に沿って、所定のラップ長だけ、順次ラップさせながら打設され、１サイクルの掘削が終了した段階では、先に打設された鏡ボルトのラップ長に相当する分だけが鏡面に埋設されていて、これにより鏡面が補強されている。
【００３３】
このような状態において、鏡ボルトの付着切れ長さＬが鏡ボルトのラップ長よりも短くなると、鏡面の崩落に繋がる可能性があるので、これをこのステップで判断するようにしている。なお、鏡ボルトのラップ長は、予め設定して入力しておく。
【００３４】
ステップｓ１０で、付着切れ長Ｌが鏡ボルトのラップ長よりも長いと判断された場合には、ステップｓ１１でラップ長が付着切れ長Ｌよりも長くなるように変更して、ステップｓ１２に移行するとともに、ステップｓ１０で、付着切れ長Ｌが鏡ボルトのラップ長よりも短いと判断された場合には、ラップ長を変更することなくステップｓ１２に移行する。
【００３５】
続くステップｓ１２では、総本数Ｎ０の鏡ボルトに降伏したものがあるか否かが判断され、降伏したものがない場合には、ステップｓ７に戻り、ステップｓ１２で降伏したものがあると判断された場合には、ステップｓ１３で、鏡ボルトの打設数を増加させて、ステップｓ７に戻り、さらに３次元数値解析が続行され、それ以降のステップが実行される。
【００３６】
複数回の解析を繰り返して、鏡面の押出量Ｔおよび局所安全率ＳＦとがともに基準値以内に収まると、ステップｓ１４が実行される。ステップｓ１４では、基準値を満足した鏡ボルトの打設本数が、規定値以内か否かが判断される。
【００３７】
このステップｓ１４での判断は、３次元解析を繰り返す度に、ステップｓ１３で、鏡ボルトの打設数を増加させるので、いずれは鏡面の押出量Ｔおよび安全率ＳＦとがともに基準値以内に収まることになるが、単純に鏡ボルトの打設数を増加させると、鏡ボルトの数が過剰になり、施工の経済性がなくなる恐れがある。
【００３８】
そこで、ステップｓ１４で、経済性を考慮した規定値と比較することにし、規定値を超えていなければ、設計手順を終了するとともに、鏡ボルトの数が規定値を超えている場合には、ステップｓ１５に移行し、鏡ボルトの配置状態を変更の要否が判断される。
【００３９】
鏡ボルトの配置状態を変更すると判断した場合には、均等配置から特定部分、例えば、ステップｓ１２で降伏したボルトの有無を判断した際に、降伏したボルトの部分の密度を他の部分よりも大きくするとか、あるいは、鏡面の中心にボルトを高密度に配置するといった変更が行われ、ステップｓ７に戻って、３次元数値解析が続行される。
【００４０】
一方、ステップｓ１５で配置パターンの変更が不要であると判断した場合には、ステップｓ１６で、鏡ボルトの設置以外の工法の採用を検討する必要性があることを指示して、手順が終了する。さて、以上のように構成した鏡ボルトの設計方法によれば、地山の変形，強度パラメータに加えて、鏡ボルトの定着パラメータと鏡ボルトのヤング率などの力学的パラメータを追加し、かつ、所定配置状態の鏡ボルトを打設する条件で、有限差分法により解析して、鏡面の押出量と局所安全率とが基準値以内に収まる鏡ボルトの打設本数を決定するので、ボルト材料の力学特性と付着特性とを定量的に考慮した合理的で適切な設計が可能になる。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明にかかる鏡ボルトの設計方法によれば、ボルト材料の力学特性と付着特性とを定量的に考慮することで、合理的で適切な設計が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる鏡ボルトの設計方法の一実施例を示す設計手順のフローチャート図である。
【図２】図１に示した設計手順で鏡ボルトの定着パラメータを取得する際の手順を示すフローチャート図である。
【図３】図２に示した手順で定着剛性を決定する際に用いるチャート図である。
【図４】図２に示した手順で付着強度を決定する際に用いるチャート図である。
【図５】図１に示した設計手順で鏡ボルトの力学的パラメータを取得する際の手順を示すフローチャート図である。
【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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