JP7117860B2 - ロックボルト及び支保構造 - Google Patents

Description

本発明は、ロックボルト及び支保構造に関する。

トンネルといった地下空間の支保は、地下空間の周囲における地山が有する支保機能に加えて、吹付けコンクリートやロックボルトによる支保機能によって奏される。トンネルが比較的硬い地山に設けられた場合、ロックボルトには、トンネルの採掘の影響を受けていない地山領域に対して採掘の影響を受けた地山領域を縫い付ける効果が期待できる。また、トンネルが比較的柔らかい地山に設けられた場合、ロックボルトには、地山の変形を抑制することによるアーチ形成効果が期待できる。従って、ロックボルトには、地山の特性に応じて種々の応力が作用し得る。

特許第６１８１３４３号公報 特開２０１７―１８６８０１号公報

例えば、地山が緩んで変形すると、当該変形に起因する応力がロックボルトに作用する。この応力が大きくなりすぎる（ロックボルトの許容引張応力を越える）と、ロックボルトが破断して地山を支保する機能が損なわれてしまう。従って、ロックボルトが支保工としての機能を維持しながら、ロックボルトに作用する引張応力が大きくなりすぎないように地山の変形に追従して移動すればよい。例えば、特許文献１、２は、地山の変形に追従可能なロックボルトを開示する。

特許文献１に開示されたロックボルトは、地山の変形に伴って移動する部材と、当該部材の移動を妨げるスライド規制機構と、を備える。当該スライド規制機構は、地山の変形態様によって、互いに異なる支保機能を奏することができる。

また、特許文献２に開示されたロックボルトは、ロックボルト本体の手元側をシース管で覆うことにより、地山と定着されない部分を有する。この地山と定着されない部分は、地山の変形に応じて延びることのできる自由長部として機能する。自由長部によれば、長期的な押し出し変形を吸収することができる。

そこで、本発明は、支保工としての機能を維持しながら、地山の大きな変形にも確実に追従することによりボルトに生じ得る応力を制御できるロックボルト及び支保構造を提供することを目的とする。

本発明の一形態は、地山に設けられた孔に充填された定着材に埋め込まれて、地山の変形に対応して地山を支保するロックボルトであって、孔の奥側に配置され、地山の変形に伴って孔の開口の方向に移動する第１支持部と、第１支持部よりも孔の開口側に配置され、先端が第１支持部に連結され、基端が孔の開口から突出すると共に開口を囲む地山の表面に取り付けられるボルトと、ボルトが挿通される貫通孔を有しボルトにおいて定着材が定着しない非定着領域を形成するシースと、を有する可動軸部と、を備える。

この構成によれば、第１支持部は、地山の変形に伴って、孔の開口の方向に移動する。従って、地山の変形に伴ってロックボルトに作用する応力が、ロックボルトの移動によって緩和される。そうすると、ロックボルトの支保工としての機能を喪失させるような応力の発生が抑制され、地山のより大きな変形を許容できる。そして、ボルトには、シースに覆われた部分に非定着領域が形成されており、この非定着領域では、ボルトが定着材に定着していないので、定着材との間で抵抗力が生じない。その結果、第１支持部の移動を妨げないように、ボルトを定着材に対して確実に滑らせることが可能になる。従って、ロックボルトは、支保工としての機能を喪失することなく、地山の変形をさらに許容できる。従って、地山の大きな変形にも確実に追従できる。

上記のロックボルトは、第１支持部よりも孔の奥側に配置され、基端が第１支持部に連結されると共に、定着材に対して付着する第２支持部を更に備え、第２支持部が定着材に対して付着している間に、地山の変形に伴って、ボルトが延びてもよい。この構成によれば、第２支持部が定着材に定着している間に地山が変形すると、ボルトが引っ張られるように変形する。従って、ボルトの伸びに応じて地山の変形がさらに許容される。このボルトの伸びは、地山の変形に伴ってボルトに作用する応力を緩和するので、ロックボルトは支保機能を喪失することがなく、地山を支保し続けることができる。ここで、ボルトは、シースによって形成された非定着部によって、定着材に対して確実に滑ることが可能である。その結果、第２支持部を地山に対する固定点とみなし、地山の変形に応じてボルトが確実に伸びることができる。

上記のロックボルトは、第１支持部とシースとの間に配置されて、地山の変形に伴う第１支持部の移動を阻害する第３支持部をさらに備えてもよい。この構成によれば、第３支持部は、第１支持部の移動を阻害するので、ボルトの移動及び伸びによって解放される応力を所望の態様に制御することが可能になる。

上記のロックボルトにおいて、シースは、連続した一つの非定着領域をボルトに対して形成し、非定着領域は、孔の開口から第１支持部に至ってもよい。この構成によれば、孔の開口から第１支持部に至る広範な非定着領域をボルトに形成することができる。従って、ボルトをより確実に定着材に対して滑らせることができる。

上記のロックボルトにおいて、シースは、互いに離間する複数の非定着領域と、非定着領域の間に形成され定着材に定着する定着領域と、をボルトに対して形成してもよい。この構成によれば、ロックボルトは、非定着領域と定着領域とをボルトに形成することができる。従って、ボルトの全面が定着材に定着する構成と比較して、ボルトを定着材に対して確実に滑らせることができる。さらに、この構成によれば、ロックボルトが定着材に対して定着する箇所が、第２支持部に加えて、定着領域にも形成される。従って、ロックボルトが定着した状態を確実に形成することができる。

本発明の別の形態は、地山に設けられる支保構造であって、地山に形成された孔に充填される定着材と、孔の奥側に配置されて定着材に埋め込まれ、地山の変形に伴って孔の開口の方向に移動する第１支持部と、第１支持部よりも孔の開口側に配置され、先端が第１支持部に連結され、基端が孔の開口から突出すると共に開口を囲む地山の表面に取り付けられるボルトと、ボルトが挿通される貫通孔を有しボルトにおいて定着材が定着しない非定着領域を形成するシースと、を有する可動軸部と、孔の開口において、ボルトの基端部に設けられ、地山に対する相対的な位置を維持する定着部と、を備える。この支保構造は、上記のロックボルトを備えている。このロックボルトは、支保工としての機能を喪失することなく、地山の変形をさらに許容できる。従って、この支保構造は、地山の大きな変形にも確実に追従できる。

本発明によれば、支保工としての機能を維持しながら、地山の大きな変形にも確実に追従することによりボルトに生じ得る応力を制御できるロックボルト及び支保構造が提供される。

図１は、支保構造が適用されるトンネルを示す斜視図である。 図２は、図１に示す第１実施形態に係るロックボルトの構造を示す断面図である。 図３は、図２に示されたネジ定着部の付近における拡大図である。 図４の（ａ）部及び図４の（ｂ）部は、地山の変形に伴うロックボルトの動作を示す断面図である。 図５の（ａ）部及び図５の（ｂ）部は、地山の変形に伴うロックボルトの動作を示す断面図である。 図６は、変位と支保力との関係を示すグラフである。 図７は、第２実施形態に係るロックボルトを示す斜視図である。 図８の（ａ）部は変形例１に係るロックボルトを示す斜視図であり、図８の（ｂ）部は同（ａ）部の主要部分を拡大して示す斜視図である。 図９の（ａ）部は変形例２に係るロックボルトを示す斜視図であり、図９の（ｂ）部は変形例３に係るロックボルトを示す斜視図であり、図９の（ｃ）部は変形例４に係るロックボルトを示す斜視図である。 図１０の（ａ）部は比較例１に係るロックボルトを示す斜視図であり、図１０の（ｂ）部は比較例２に係るロックボルトを示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、支保構造１は、新オーストリアトンネル工法（ＮＡＴＭ）といった山岳トンネル工法に用いられる。当該工法では、まず、地山１０１にトンネル１０２を設ける。次に、トンネル１０２の掘削面にコンクリート壁１０３を設ける。次に、削岩機などを用いて、コンクリート壁１０３から地山１０１に延びる複数の削孔１０４を設ける。次に、モルタル等の定着材を準備し、ポンプなどを用いて定着材を削孔１０４に充填すると共に当該定着材に対してロックボルト２を埋め込む。

ロックボルト２は、トンネル１０２の周囲における地山１０１に対して放射状に配置される。それぞれのロックボルト２は、定着材によって地山１０１に定着されている。従って、ロックボルト２は、トンネル１０２の周囲における地山１０１と一体化しているとみなせる。例えば、ロックボルト２の先端側（地山側）は、掘削の影響が無視できる比較的硬い地山領域１０１ａに一体化していることもある。そして、地山１０１とロックボルト２とが一体化した領域は、アーチ状の支保領域１０１ｂを形成し、トンネル１０２を支保する。

図２は、図１に示されたロックボルト２のひとつを拡大して示す。以下の説明において、説明の便宜上、ロックボルト２において削孔１０４の開口側に配置される側を「基端」と称する。また、ロックボルト２において削孔１０４の奥側に配置される側を「先端」と称する。図２では、紙面右手を基端側とし紙面左手を先端としてロックボルト２を図示する。

図２に示すように、支保構造１は、ロックボルト２と、定着材３と、を有する。支保構造１は、地山１０１に設けられた削孔１０４の定着材３に埋め込まれたロックボルト２によって地山１０１を支保する。

ロックボルト２は、その大部分が定着材３に埋め込まれ、基端側の一部が削孔１０４から突出する。ロックボルト２は、主要な構成要素として、可動軸部４と、定着ユニット６（定着部）と、スリーブ部７（第１支持部）と、リング８（第３支持部）と、ネジ定着部９（第２支持部）と、を有する。これらの構成要素は、削孔１０４の内部において、削孔１０４の奥側から削孔１０４の開口１０４ａに向かう方向Ｄ１に沿って、ネジ定着部９、スリーブ部７、可動軸部４の順に配置されて、互いに連結されている。そして、削孔１０４から突出した可動軸部４の端部に定着ユニット６が取り付けられる。

例えば、地山１０１が方向Ｄ１（紙面右方向）に変形しようとすると、定着ユニット６には方向Ｄ１に沿う力が作用する。その結果、定着ユニット６に連結された可動軸部４、スリーブ部７及びネジ定着部９にも、当該力に対応する引っ張り力が作用する。このとき、それぞれの構成要素は、定着材３との付着力や、それぞれの構成要素が有する引っ張り強さによって、当該力に抵抗する。その結果、地山１０１の変形が抑制される。つまり、地山１０１が支保される。

ここで、可動軸部４、スリーブ部７及びネジ定着部９に作用する力が大きくなり、当該力が構成要素の許容強度を超えると破断が発生し、ロックボルト２は支保機能を喪失する。より具体的には、作用する力に起因する応力が構成要素の許容応力を超えたときに支保機能を喪失する。

この応力は、地山１０１と各構成要素との相対的な変位に応じる。例えば、ロックボルト２が地山１０１の変形量と同等の変形を生じる場合には、ロックボルト２に作用する応力はごく僅か（或いはゼロ）である。しかし、この場合には、ロックボルト２は地山１０１の変位に抵抗しないので、実質的に、ロックボルト２が支保能力を発揮している状態とは言えない。

また、ロックボルト２が地山１０１の変形に対して全く変形しない場合には、ロックボルト２に作用する応力は地山１０１の変形量に応じて大きくなる。この場合には、ロックボルト２が支保能力を発揮していると言えるが、ロックボルト２に作用する応力が許容値を超えると破断が生じる。

すなわち、ロックボルト２は、地山１０１の変形を妨げる支保機能を奏しながら、発生する応力が許容値を上回らないようにするため、地山１０１の変形に応じて移動或いは変形する。ロックボルト２は、以下に詳細に説明する構成要素によって、このような作用効果を奏することができる。

＜可動軸部＞
可動軸部４は、スリーブ部７よりも開口１０４ａ側に配置される。可動軸部４は、ボルト本体１１（ボルト）と、シース１２と、を有する。

ボルト本体１１は、削孔１０４に配置されたとき、方向Ｄ１に沿って延びる棒体である。ボルト本体１１の外周面には、らせん状に形成された突起が設けられる。ボルト本体１１として、比較的剛性の高い高張力異形鋼棒が用いられる。ボルト本体１１は、外径が２０ミリメートル以上３０ミリメートル以下であり、長さが３メートル以上６メートル以下としてよい。例えば、ボルト本体１１の外径は、後述するスリーブ部７における基体部１７の外径に対して、その比率が１／１．１５～１／１．５であり、一例として１／１．３程度としてよい。なお、上記の外径寸法及び長さ寸法は例示であって、これらの寸法値に限定されることはなく、支保構造１に応じて適宜好適な寸法を選択してよい。また、ボルト本体１１としては、ツイスト鋼、ツイストボルトの表面形状が再現されるように圧延加工した高強度軽量化ボルト、ネジ節棒鋼を含む異形棒鋼を採用してもよい。

ボルト本体１１の先端１１ａは、スリーブ部７に連結される。先端１１ａを含む領域は、シース１２に覆われていない露出領域Ｒ１である。この露出領域Ｒ１は、その定着力が少なくともネジ定着部９における定着力よりも小さくなるように形成される。例えば、露出領域Ｒ１の長さＬ１１ａは、ネジ定着部９の長さＬ９よりも短い。基端１１ｂ（基端部）は削孔１０４から突出する。基端１１ｂには、雄ネジが形成されており、この雄ネジには定着ユニット６が取り付けられる。

シース１２は、ボルト本体１１が挿通される貫通孔を有する筒状を呈する。シース１２は、連続した一つの非定着領域Ｒ２をボルト本体１１に対して形成する。シース１２の外周面には、必要に応じてリブ（凹凸部）を設けてもよい。シース１２は、その外径がボルト本体１１の外径よりも大きく、その内径もボルト本体１１の外径より大きい。例えば、シース１２の内周面とボルト本体１１の外周面とは、互いに離間している。シース１２にボルト本体１１を配置したとき、ボルト本体１１の一部は、シース１２によって覆われる。この覆われた部分は、定着材３とは接触しない。ボルト本体１１において定着材３が定着しない部分を非定着領域Ｒ２と呼ぶ。この非定着領域Ｒ２は、定着材３に対して容易に相対的に移動可能である。この移動には、ボルト本体１１の全体が地山１０１に対して開口１０４ａ側へ動く態様と、非定着領域Ｒ２の長さが長くなる（伸びる）態様と、を含む。

この構成によれば、ボルト本体１１と定着材３との縁が切れているので、ボルト本体１１を確実にスライド（移動）又は伸ばすことができる。従って、地山１０１の大変形を許容することができる。

また、シース１２の長さＬ１２は、ボルト本体１１の長さＬ１１よりも短い。つまり、ボルト本体１１の先端１１ａ及び基端１１ｂは、シース１２に覆われない。シース１２は、ボルト本体１１において削孔１０４内に配置された部分を覆う。より詳細には、シース１２は、表面１０１ｃとリング８との間におけるボルト本体１１を覆う。そうすると、シース１２の長さＬ１２は、例えば、１．０メートル以上６．０メートル以下程度であり、ボルト本体１１の全長における１／１．１８程度を覆う。このシース１２の長さＬ１２とボルト本体１１の全長との比率は、実施形態では１／１．２程度であるが、好ましくは３／４であってもよいし、最低１／２であってもよい。

シース１２の先端１２ａには、シール部材１３が設けられてもよい。このシール部材１３は、シース１２の内部に定着材３が浸入することを抑制する。例えは、シール部材１３は、ボルト本体１１に配管接続用のシールテープ等を巻きつけたものとしてもよい。このシール部材１３は、ボルト本体１１とシース１２との相対的な移動を妨げない。つまり、シール部材１３によって、ボルト本体１１とシース１２とは互いに固定されない。

シース１２の基端１２ｂは、例えば、定着ユニット６に接触する。ここで、可動軸部４がボルト本体１１とシース１２との相対的な移動を意図するものである点に注目すれば、シース１２の基端１２ｂは、定着ユニット６に対して固定されない。例えば、初期状態において基端１２ｂは定着ユニット６に接触していても、定着ユニット６が移動すると基端１２ｂと定着ユニット６との間には隙間が生じ得る（図４の（ｂ）部等参照）。

このシース１２によれば、ボルト本体１１に非定着領域Ｒ２が形成されるので、スリーブ部７が滑った場合に、ボルト本体１１がシース１２の内部を円滑にスライドし、その機能を損なうことなく地山１０１の大変形に追従できる。また、設計仕様のロックボルトをボルト本体１１に利用できるので、ロックボルト２の外径の拡大を抑制できる。その結果、地山１０１における削孔１０４の内径を大きくする必要がなくなるので、支保構造１の施工性が向上する。そのうえ、ボルト本体１１は、汎用品を使用してよいので、支保構造１が施工される現場で組み立てることができ、経済性に優れる。

＜定着ユニット＞
定着ユニット６は、削孔１０４の開口において、ボルト本体１１の基端１１ｂに設けられ、地山１０１に対する相対的な位置を維持する。定着ユニット６は、座金１４とナット１６とを有する。座金１４は、円板又は矩形状の板材である。座金１４の面積は、開口１０４ａの開口面積よりも大きい。座金１４の中央部には貫通孔が設けられ、当該貫通孔にはボルト本体１１の基端１１ｂが挿通される。ナット１６は、ボルト本体１１の基端１１ｂに設けられた雄ネジに取り付けられる。ナット１６は、座金１４を地山１０１側へ押し付ける力を生じる。

＜スリーブ部＞
地山１０１が変形したとき、スリーブ部７は、スリーブ部７とリング８との間に存在する定着材３を押しつぶす或いは定着材３を押し退けつつ方向Ｄ１に沿って移動する。

図３に示すように、スリーブ部７は、削孔１０４の奥側において、可動軸部４とネジ定着部９との間に設けられる。スリーブ部７は、略円柱状の形状であり、基体部１７と、第１テーパ部１８と、第２テーパ部１９と、を有する。基体部１７は、軸線方向に沿って外径が一定である。基体部１７は、円柱状の形状をなし、軸線方向に延びる外周面（付着面）を有する。この外周面には、複数のふしであるリッジが設けられており、初期状態において定着材３が付着している。従って、初期状態において基体部１７の移動と定着材３の移動とは一致する。換言すると、基体部１７が定着材３に定着している状態では、スリーブ部７は、定着材３に対して滑らない。一方、地山１０１の変形が進行すると、基体部１７と定着材３との間の付着が切れる。従って、この状態では、基体部１７の移動と定着材３の移動とは一致せず、基体部１７と定着材３との間に滑りが生じる。

第１テーパ部１８及び第２テーパ部１９は、軸線方向に沿って外径が変化する。第１テーパ部１８は、開口１０４ａ側に設けられ、スリーブ部７の基端を含む。従って、第１テーパ部１８は、可動軸部４と連結される。第２テーパ部１９は、削孔１０４の奥側に設けられ、スリーブ部７の先端を含む。従って、第２テーパ部１９は、ネジ定着部９と連結される。基体部１７の外径は、ネジ定着部９の外径よりも大きい。第１テーパ部１８及び第２テーパ部１９のそれぞれにおいて、最大の外径は、基体部１７の外径と一致する。

軸線方向に沿った基体部１７の長さＬ１７は、例えば、ロックボルト２の全長（長さＬ２）に対して０．０１以上０．２５以下（０．０１≦（Ｌ１７／Ｌ２）≦０．２５）であってもよい。好ましくは、長さＬ１７が、長さＬ２に対して０．０２５以上０．１以下（０．０２５≦（Ｌ１７／Ｌ２）≦０．１）であってもよい。また、軸線方向に沿った基体部１７の長さＬ１７は、例えば、軸線方向に沿った第１テーパ部１８の長さＬ１８と同じ（Ｌ１７＝Ｌ１８）であるか、それ以下（Ｌ１７≦Ｌ１８）であってもよいし、それ以上（Ｌ１７≧Ｌ１８）であってもよい。例えば、第１テーパ部１８の長さＬ１８は、基体部１７の長さＬ１７に対して、０．０１以上２以下（０．０１≦（Ｌ１８／Ｌ１７）≦２）であってもよい。好ましくは、長さＬ１８が長さＬ１７に対して、０．０５以上１以下（（０．０５≦（Ｌ１８／Ｌ１７）≦１）であってもよい。さらに好ましくは、長さＬ１８が長さＬ１７に対して、０．１２５以上０．７５以下（０．１２５≦（Ｌ１８／Ｌ１７）≦０．７５）であってもよい。

＜リング＞
リング８は、スリーブ部７とシース１２との間に配置されて、スリーブ部７の移動を阻害する。ボルト本体１１の先端１１ａは、シース１２の先端１２ａから突出し、スリーブ部７に固定される。リング８は、このシース１２から突出し、スリーブ部７に固定されるまでの領域に配置される。つまり、リング８は、露出領域Ｒ１に配置される。例えば、リング８は、露出領域Ｒ１において、リング８からスリーブ部７までの距離がリング８からシース１２までの距離よりも大きくなるように配置される。

リング８は、円筒状の形状であり、端面８ａ、８ｂと、貫通孔８ｃと、を有する。リング８の端面８ａから端面８ｂへ貫通する貫通孔８ｃは、可動軸部４のボルト本体１１を挿通する。リング８は、軸線方向に沿って外径が一定である。リング８の外径は、スリーブ部７の基体部１７における外径より大きい。リング８の貫通孔８ｃの内径は、ボルト本体１１の外径よりも大きい。好ましくは、内径がボルト本体１１の外径よりも僅かに大きい。一方、リング８の内径は、スリーブ部７の外径よりも小さいことが好ましい。このようなリング８によれば、リング８の端面８ａにスリーブ部７の第１テーパ部１８が当接することができる。

＜ネジ定着部＞
ネジ定着部９は、ロックボルト２において削孔１０４の最も奥側に配置される。ネジ定着部９は、円柱状の形状を呈し、スリーブ部７に連結される。ネジ定着部９の軸線は、スリーブ部７の軸線に重複する。ネジ定着部９は、その外周面に設けられた雄ネジを有する。この雄ネジは、定着材３との定着力を発揮する。

ネジ定着部９の長さＬ９は、５センチメートル以上３０センチメートル以下であり、一例として２０センチメートルである。つまり、ネジ定着部９の長さＬ９は、スリーブ部７の長さＬ７と略同等としてよい。また、ネジ定着部９の長さＬ９は、ボルト本体１１の長さＬ１１よりも短い。例えば、ネジ定着部９の長さＬ９は、ボルト本体１１の長さＬ１１の１／１１程度としてよい。さらに、例えば、ロックボルト２の全長（長さＬ２）に対してネジ定着部の長さＬ９は、０．００８以上０．１０以下（０．００８≦（Ｌ９／Ｌ２）≦０．１０）であってもよい。好ましくは、０．０１７以上０．０５以下（０．０１７≦（Ｌ９／Ｌ２）≦０．０５）であってもよい。

ネジ定着部９の外径は、２センチメートル以上４センチメートル以下であり、一例として、２．４センチメートルである。つまり、ネジ定着部９の外径は、スリーブ部７の外径よりも小さい。例えば、ネジ定着部９の外径は、スリーブ部７の外径の１／１．１５～１／１．５であり、一例として１／１．３程度としてよい。また、ネジ定着部９の外径は、可動軸部４におけるボルト本体１１の外径と略同等としてよい。

以下、地山１０１の変位に応じたロックボルト２の状態と、ロックボルト２の支保力（支保工作用圧）との関係について、図４、図５及び図６を参照しつつ説明する。図４及び図５は、地山の変位に応じたロックボルト２の状態を概略的に示す図である。図６はロックボルト２の変位と支保力との関係を概略的に示すグラフである。図６の横軸は地山１０１の変位を示し、縦軸はロックボルト２が奏する支保力を示す。支保力は、ロックボルト２に作用する力への反力であるとも言えるので、縦軸はロックボルト２へ作用する力として見てもよい。

図６において、グラフＧ１はロックボルト２の特性を示す。また、グラフＧ２は比較例１に係るロックボルトの特性を示し、グラフＧ３は比較例２に係るロックボルトの特性を示す。なお、グラフＧ４は高地圧を有する地山１０１の特性を示し、グラフＧ５はグラフＧ４よりも低い地圧を有する地山１０１の特性を示す。

図４の（ａ）部は、ロックボルト２の初期状態を示す。初期状態では、地山１０１の変位はゼロであり、ロックボルト２の支保力もゼロである。

図４の（ｂ）部は、初期状態から地山１０１が長さＶ１だけ変位した第２状態を示す。図４の（ｂ）部において、仮想線Ｋ１は、初期状態における地山１０１の表面１０１ｃを示す。第２状態では、ロックボルト２は、ネジ定着部９、スリーブ部７、ボルト本体１１の露出領域Ｒ１及びシース１２が定着材３に定着している。一方、ボルト本体１１の非定着領域Ｒ２は定着材３に定着していない。

この状態において、地山１０１の変位に伴って定着ユニット６が方向Ｄ１に移動する。そうすると、ロックボルト２において、ネジ定着部９がアンカーとなり、ネジ定着部９及びスリーブ部７の移動及び変形は生じない。一方、地山１０１の変位（Ｖ１）は、ボルト本体１１における非定着領域Ｒ２に伸び（Ｅ１）をもたらす。地山１０１の変位（Ｖ１）が大きいほど、非定着領域Ｒ２に作用する力も大きくなり、当該力に対抗するので、ボルト本体１１が奏する反力（支保力）も大きくなる（グラフＧ１の初期載荷部Ｇ１ａ参照）。ボルト本体１１の非定着領域Ｒ２における支保力は、ボルト本体１１の弾性係数（ヤング率）及びボルト本体１１の断面積に基づくフックの法則により示すことができる。この状態において、ロックボルト２には地山１０１の変位に応じた力が作用するが、非定着領域Ｒ２の伸び（Ｅ１）によって応力は低減される。

ここで、ロックボルト２では、ネジ定着部９が定着材３に定着している間に、地山１０１が変形するとボルト本体１１が引っ張られるように変形する。従って、ボルト本体１１の伸び（Ｅ１）に応じて地山１０１の変形が許容される。このボルト本体１１の伸び（Ｅ１）は、地山１０１の変形（Ｖ１）に伴ってボルト本体１１に作用する応力を緩和するので、ロックボルト２は支保機能を喪失することがなく、地山１０１を支保し続けることができる。そして、ボルト本体１１は、シース１２によって形成された非定着領域Ｒ２によって、定着材３に対して確実に滑ることが可能である。その結果、ネジ定着部９が地山１０１に対する固定点（アンカー）となるので、ボルト本体１１は、地山１０１の変形（Ｖ１）に応じて確実に伸びる（Ｅ１）。

そして、グラフＧ１における点Ｐ１の付近において、ネジ定着部９における付着状態が切れるとする。ネジ定着部９の定着力は、その外周面に形成された雄ネジの形状などによる。従って、雄ネジが形成されていないスリーブ部７やボルト本体１１の露出領域Ｒ１の定着力は、ネジ定着部９の定着力よりも低い。そうすると、ネジ定着部９の付着状態が切れたとき、スリーブ部７及びボルト本体１１の露出領域Ｒ１における定着は、すでに切れていると想定することが妥当である。

図５の（ａ）部は、地山１０１がさらにＶ２だけ変位した第３状態を示す。図５の（ａ）部において、仮想線Ｋ２は、第２状態における地山１０１の表面１０１ｃを示す。第２状態では、上述したようにネジ定着部９、スリーブ部７及びボルト本体１１の露出領域Ｒ１における定着は切れており、リング８及びシース１２が定着材３に定着しているだけである。この状態において、地山１０１の変位に伴って定着ユニット６が方向Ｄ１に移動する。

そうすると、ネジ定着部９、スリーブ部７及びボルト本体１１は、地山１０１の変位（Ｖ２）に伴って開口１０４ａ側へ滑る。つまり、ネジ定着部９、スリーブ部７及びボルト本体１１は、定着材３に対して相対的に移動する。図５の（ａ）部では、これらの移動を代表してネジ定着部９の先端９ａの移動（Ｍ１）として示す。つまり、第２状態から第３状態へは、ネジ定着部９、スリーブ部７及びボルト本体１１に実質的な伸びが生じることなく、これらが方向Ｄ１に向かって一様に移動する。この移動（Ｍ１）に際し、ロックボルト２は、初期状態から第２状態へ移行するまでの支保力の態様（初期載荷部Ｇ１ａ）とは異なる態様（変形追従部Ｇ１ｂ）の支保力を発揮する。このネジ定着部９、スリーブ部７及びボルト本体１１の移動は、スリーブ部７がリング８に当接するまで継続することがある。

上述したように、スリーブ部７は、定着材３を押しつぶす或いは定着材３を押し退けつつ削孔１０４の開口１０４ａの方向に移動する。つまり、スリーブ部７は、スリーブ部７とリング８との間に存在する定着材３に妨げられながら、方向Ｄ１に沿って移動する。従って、支保力は、軸方向に直交する仮想面への第１テーパ部１８（図３参照）の投影面積、第１テーパ部１８の角度、定着材３の材料特性などにより制御できる。第２状態から第３状態へ移行する間の変位と支保力との関係は、グラフＧ１における変形追従部Ｇ１ｂに示す。変形追従部Ｇ１ｂの傾きは、初期載荷部Ｇ１ａにおける傾きよりも小さい。

要するに、実施形態に係るロックボルト２では、スリーブ部７が、地山１０１の変形に伴って、削孔１０４の開口１０４ａの方向に移動（Ｍ１）する。従って、地山１０１の変形に伴ってロックボルト２に作用する応力が、ロックボルト２の移動によって緩和される。そうすると、ロックボルト２の支保工としての機能を喪失させるような応力の発生が抑制され、地山１０１のより大きな変形を許容できる。そして、ボルト本体１１には、シース１２に覆われた部分に非定着領域Ｒ２が形成されており、この非定着領域Ｒ２では、ボルト本体１１が定着材３に定着していないので、定着材３との間で抵抗力が生じない。その結果、スリーブ部７の移動を妨げないように、ボルト本体１１を定着材３に対して確実に滑らせることが可能になる。従って、ロックボルト２は、支保工としての機能を喪失することなく、地山１０１の変形をさらに許容できる。従って、地山１０１の大きな変形にも確実に追従できる。

図５の（ｂ）部は、地山１０１がさらにＶ３だけ変位した第４状態を示す。図５の（ｂ）部において、仮想線Ｋ３は、第３状態における地山１０１の表面１０１ｃを示す。第４状態では、スリーブ部７がリング８に当接している。この状態において、地山１０１の変位に伴って定着ユニット６が方向Ｄ１に移動すると、リング８がスリーブ部７の移動を妨げる。従って、スリーブ部７及びリング８がアンカーとなり、スリーブ部７などの方向Ｄ１へ沿う移動は、実質的に生じないと仮定してよい。その結果、地山１０１の変位に起因する力は、再びボルト本体１１の非定着領域Ｒ２に伸び（Ｅ２）をもたらす。つまり、地山１０１の変位（Ｖ３）が大きいほど、非定着領域Ｒ２に作用する力も大きくなり、当該力に対抗するので、ボルト本体１１が奏する反力（支保力）も大きくなる（グラフＧ１の変形制御部Ｇ１ｃ参照）。

なお、第３状態から第４状態へ移行する際の支保力は、リング８の抵抗力を考慮してもよい。上記の説明では、地山１０１の変位に応じてスリーブ部７及びリング８は移動しないものとした。しかし、リング８の形状や定着材３の材料特性によっては、地山１０１の変位に応じてリング８も開口１０４ａ側に移動する場合もあり得る。その場合には、抵抗力は、リング８が定着材３の抵抗力に逆らって移動するときに生じる力と、上記のボルト本体１１における力との合力であるとしてもよい。そして、支保力が力（Ｆ３）に達したとき、ロックボルト２はその支保機能を喪失するとする。

そうすると、実施形態に係るロックボルト２は、地山１０１の変位（Ｔ２）において力（Ｆ２）までの支保力を奏することができる。

＜比較例１＞
ここで、比較例１に係るロックボルトについて説明する。図１０の（ａ）部に示すように、比較例１に係るロックボルト２０１は、定着材３に埋め込まれた部分の全体が定着材３に付着する。この構成によれば、ロックボルト２０１はその軸方向に延びたり、移動したりすることが実質的にできない。そうすると、地山１０１の変位に起因してロックボルト２０１に作用する応力は、ロックボルト２０１の伸び及び移動により低減されることがない。従って、図６のグラフＧ２に示すように、ロックボルト２０１は、ロックボルト２０１の弾性係数と断面積とに従って伸びる。ここで、比較例１に係るロックボルト２０１は伸び及び移動により応力が低減されることがないので、グラフＧ２の傾きは、グラフＧ１の傾きよりも大きくなる。そして、ロックボルト２０１の許容応力（Ｆ２）に達したときにその支保機能を喪失する。従って、比較例１に係るロックボルト２０１は、発揮し得る支保力の最大値（Ｆ２）は、実施形態に係るロックボルト２と同程度とし得るが、対応可能な変位量（Ｔ１）が実施形態に係るロックボルト２に比較して狭い。

＜比較例２＞
さらに、比較例２に係るロックボルトについて説明する。図１０の（ｂ）部に示すように、比較例２に係るロックボルト３０１は、定着材３に対する定着力が強いアンカー３０２と、当該アンカー３０２よりも定着力が弱いスムース３０３と、を有する。この構成によれば、スムース３０３の付着が切れ、且つ、アンカー３０２の付着が保たれているとき、ロックボルト３０１の伸びにより応力が低減されつつロックボルト３０１が変形する状態（図６のグラフＧ３における符号Ｇ３ａ参照）が生じる。その後、さらにアンカー３０２の付着が切れると、ロックボルト３０１はそれ以上の支保力（Ｆ３）を生じることができず、地山１０１の変位の増加によらず、一定の支保力（Ｆ３）を生じる状態（グラフＧ３における符号Ｇ３ｂ参照）となる。従って、比較例２に係るロックボルト３０１は、対応可能な変位量は実施形態に係るロックボルト２と同程度或いはそれ以上とし得るが、発揮し得る支保力の最大値（Ｆ３）が実施形態に係るロックボルト２に比較して低い。

＜第２実施形態＞
次に、図７に示す第２実施形態に係るロックボルト２Ａについて説明する。ロックボルト２Ａは、主要な構成要素として、スリーブ部７と、可動軸部４Ａと、リング８と、ネジ定着部９と、定着ユニット６と、を有する。上記の構成要素において、定着ユニット６、スリーブ部７、リング８及びネジ定着部９は、第１実施形態に係るロックボルト２と同様であるので、詳細な説明を省略する。以下、可動軸部４Ａについて詳細に説明する。

可動軸部４Ａは、ボルト本体１１と、第１のシース２１と、第２のシース２２と、を有する。すなわち、第２実施形態に係るロックボルト２Ａは、第１のシース２１及び第２のシース２２を有する点で、第１実施形態に係るロックボルト２と相違する。第１のシース２１は、ボルト本体１１に非定着領域Ｒ３ａを形成する。第２のシース２２は、ボルト本体１１に非定着領域Ｒ３ｂを形成する。また、第１のシース２１及び第２のシース２２において、その外径及び内径は、第１実施形態に係るシース１２と同様である。一方、第２実施形態に係る第１のシース２１及び第２のシース２２は、所定の方向Ｄ１における長さが、第１実施形態に係るシース１２と相違する。具体的には、第１のシース２１及び第２のシース２２は、シース１２よりも短い。さらには、第１のシース２１の長さＬ２１と第２のシース２２の長さＬ２２を足し合わせた合計長さ（Ｌ２１＋Ｌ２２）は、シース１２の長さＬ１２よりも短い（Ｌ２１＋Ｌ２２＜Ｌ１２）。

第１のシース２１は、リング８側（スリーブ部７側或いはネジ定着部９側）に配置される。例えば、第１のシース２１の先端２１ａは、リング８の近傍に配置してよい。つまり、先端２１ａは、第１実施形態に係るシース１２の先端１２ａと同じ位置に配置される。
また、第２のシース２２は、定着ユニット６側に配置される。このとき、第２のシース２２の基端２２ｂは、定着ユニット６に接触してよい。つまり、基端２２ｂは、第１実施形態に係るシース１２の基端１２ｂと同じ位置に配置される。

第１のシース２１及び第２のシース２２の合計長さ（Ｌ２１＋Ｌ２２）と、第１のシース２１及び第２のシース２２の配置によれば、第１のシース２１と第２のシース２２との間には、隙間が形成される。この隙間からは、ボルト本体１１の一部（定着領域Ｒ４）が露出する。第１のシース２１の長さＬ２１が第２のシース２２の長さＬ２２と等しい（Ｌ２１＝Ｌ２２）とすれば、定着領域Ｒ４は、ボルト本体１１の略中央に形成される。

定着領域Ｒ４は、定着材３と直接に接触し、定着領域Ｒ４には定着材３が定着する。つまり、可動軸部４Ａは、意図的にボルト本体１１の一部を第１のシース２１及び第２のシース２２から露出させ、定着材３を付着させることにより、アンカーとなり得る箇所を形成する。従って、定着領域Ｒ４の長さＬ１１ｂは、アンカーとしての機能を確実に発揮するため、第２のシース２２とスリーブ部７との間に形成される露出領域Ｒ１の長さＬ１１ａよりも長い。

この構成によれば、ロックボルト２Ａは、非定着領域Ｒ３ａ、Ｒ３ｂをボルト本体１１に形成することができる。従って、ボルト本体１１の全面が定着材３に定着する構成と比較して、確実にボルト本体１１を定着材３に対して滑らせることができる。さらに、この構成によれば、ロックボルト２Ａは、定着領域Ｒ４をボルト本体１１に形成することができる。従って、ボルト本体１１が定着材３に対して定着する箇所を、ネジ定着部９に加えて、さらに増やすことができる。その結果、ボルト本体１１が定着した状態を確実に形成することができる。

なお、第２実施形態に係るロックボルト２Ａの可動軸部４Ａでは、第１のシース２１の長さＬ２１は、第２のシース２２の長さＬ２２と異なっていてもよい。これらの長さＬ２１、Ｌ２２を適宜選択することにより、ボルト本体１１における定着領域Ｒ４の位置及びその長さを設定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施してよい。

例えば、第１支持部の構成は、スリーブ部７に限定されず、地山１０１の変位に対応した支保力を発揮できる構成を採用してよい。例えば、図８に示すように、変形例１に係るロックボルト２Ｂは、第１支持部としてのスライド部２４を有する。スライド部２４は、ネジ定着部９に対するボルト本体１１の移動可能な範囲を規制する。

スライド部２４は、円筒状のシリンダケース２５を有する。シリンダケース２５は、可動軸部４のボルト本体１１及びネジ定着部９との位置関係において、一方を他方に対して相対的に移動可能に連結する。また、シリンダケース２５は、ボルト本体１１及びネジ定着部９との位置関係において、一方に対して他方が移動可能な範囲を規定する。

シリンダケース２５の先端２５ａには、ネジ定着部９が固定される。つまり、先端２５ａは、削孔１０４の底面と対面する。シリンダケース２５の内部には、ピストン２６が収容される。シリンダケース２５の内径は、ピストン２６の外径よりもわずかに大きい。要するに、シリンダケース２５に対してピストン２６が摺動可能であればよい。ピストン２６には、ボルト本体１１の先端１１ａが固定される。シリンダケース２５の基端２５ｂは、貫通孔を有する。貫通孔には、ボルト本体１１が挿通される。貫通孔の中心軸線は、シリンダケース２５の中心軸線と重複する。貫通孔の内径は、ボルト本体１１の外径よりもわずかに大きい。

シリンダケース２５には、圧縮バネ２７が収容される。圧縮バネ２７は、ピストン２６と基端２５ｂの間に配置される。圧縮バネ２７は、ネジ定着部９に対してボルト本体１１が開口１０４ａ側へ移動するときに、移動方向とは逆方向の力を発生させる。

この構成によれば、地山１０１が変位すると、ロックボルト２Ｂは、まず、スライド部２４の変形が生じる。つまり、地山１０１の変位に基づく力に応じて、ボルト本体１１が引っ張られる。従って、ピストン２６が圧縮バネ２７を圧縮しつつ、開口１０４ａ側へ移動する形態が生じる（第１支保形態）。このとき、ボルト本体１１には非定着領域Ｒ２が形成されているので、ボルト本体１１は、定着材３に起因する付着力の影響を実質的に無視した状態で、移動することができる。次に、圧縮バネ２７が最小長さまで縮むと、それ以後は、ネジ定着部９をアンカーとして、ボルト本体１１が伸びる形態（第２支保形態）が生じる。この形態においても、非定着領域Ｒ２により、ボルト本体１１は、定着材３に起因する付着力の影響を実質的に無視した状態で、伸びることができる。第１支保形態と第２支保形態とでは、地山１０１の変位と支保力との関係が異なる。従って、多様な地山特性に対して好適に対応することができる。

また、例えば、ロックボルトは、ネジ定着部９を備えていなくともよい。図９の（ａ）部に示すように、変形例２に係るロックボルト２Ｃは、第１実施形態に係るロックボルト２に対してネジ定着部９を備えない点で相違する。その他のスリーブ部７、可動軸部４の構成は、第１実施形態に係るロックボルト２と同様である。同様に、図９の（ｂ）部に示すように、変形例３に係るロックボルト２Ｄは、第２実施形態に係るロックボルト２Ａに対してネジ定着部９を備えない点で相違する。その他のスリーブ部７、可動軸部４Aの構成は、第２実施形態に係るロックボルト２Ａと同様である。さらに同様に、図９の（ｃ）部に示すように、変形例４に係るロックボルト２Ｅは、変形例１に係るロックボルト２Ｂに対してネジ定着部９を備えない点で相違する。その他のスリーブ部７、可動軸部４の構成は、変形例１に係るロックボルト２Ｂと同様である。

１…支保構造、２，２Ａ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ…ロックボルト、３…定着材、４…可動軸部、６…定着ユニット（定着部）、７…スリーブ部（第１支持部）、８…リング、９…ネジ定着部（第２支持部）、１１…ボルト本体（ボルト）、１２…シース、１３…シール部材、１４…座金、１６…ナット、１７…基体部、１８…第１テーパ部、１９…第２テーパ部、２１…第１のシース、２２…第２のシース、２４…スライド部、２５…シリンダケース、２６…ピストン、２７…圧縮バネ、１０１…地山、１０２…トンネル、１０３…コンクリート壁、１０４…削孔、２０１、３０１…ロックボルト、３０２…アンカー、３０３…スムース、Ｒ１…露出領域、Ｒ２，Ｒ３ａ，Ｒ３ｂ…非定着領域、Ｒ４…定着領域。

Claims (7)

1. 地山に設けられた孔に充填された定着材に埋め込まれて、前記地山の変形に対応して地山を支保する棒体を備えるロックボルトであって、
   前記孔の奥側に配置され、前記地山の変形に伴って前記孔の開口の方向に移動する前記棒体より外径の大きい第１支持部と、
   前記第１支持部よりも前記孔の開口側に配置され、先端が前記第１支持部に連結され、基端が前記孔の開口から突出すると共に前記開口を囲む前記地山の表面に取り付けられる前記棒体と、前記棒体が挿通される貫通孔を有し前記棒体において前記定着材が定着しない非定着領域を形成するシースと、を有する可動軸部と、を備え、
   前記地山の変形に対応して、前記第１支持部が前記定着材に付着して滑らず、前記非定着領域が伸びる第１の形態と、
   前記第１の形態からさらに前記地山が変形した場合に対応して、前記非定着領域が前記第１の形態で伸びた長さを維持しながら、前記第１支持部が前記定着材に対して相対的に移動する第２の形態と、
   前記第２の形態からさらに前記地山が変形した場合に対応して、前記第１支持部の移動が阻害されると共に、前記非定着領域が前記第１の形態で伸びた長さからさらに伸びる第３の形態と、を取る、ロックボルト。
2. 地山に設けられた孔に充填された定着材に埋め込まれて、前記地山の変形に対応して地山を支保する棒体を備えるロックボルトであって、
   前記孔の奥側に配置され、前記地山の変形に伴って前記孔の開口の方向に移動する前記棒体より外径の大きいスリーブ部と、
   前記スリーブ部よりも前記孔の開口側に配置され、先端が前記スリーブ部に連結され、基端が前記孔の開口から突出すると共に前記開口を囲む前記地山の表面に取り付けられる前記棒体と、前記棒体が挿通される貫通孔を有し前記棒体において前記定着材が定着しない非定着領域を形成するシースと、を有する可動軸部と、
   前記スリーブ部と前記シースとの間に配置されて、前記棒体が挿通される部分と、前記地山の変形に伴って移動した前記スリーブ部が当接可能である部分とを含み、当接した前記スリーブ部の移動を阻害する規制部材と、を備える、ロックボルト。
3. 前記地山の変形に対応して、前記スリーブ部が前記定着材に付着して滑らず、前記非定着領域が伸びる第１の形態と、
   前記第１の形態からさらに前記地山が変形した場合に対応して、前記非定着領域が前記第１の形態で伸びた長さを維持しながら、前記スリーブ部が前記規制部材に近づくように前記定着材に対して相対的に移動する第２の形態と、
   前記第２の形態からさらに前記地山が変形した場合に対応して、前記スリーブ部が前記規制部材に当接することによって、前記スリーブ部の移動が阻害されると共に、前記非定着領域が前記第１の形態で伸びた長さからさらに伸びる形態と、を取る、請求項２に記載のロックボルト。
4. 前記スリーブ部よりも前記孔の奥側に配置され、基端が前記スリーブ部に連結されると共に、前記定着材に対して付着する定着部を更に備える、請求項２に記載のロックボルト。
5. 前記地山の変形に対応して、前記定着部の前記定着材への定着によって前記スリーブ部が前記定着材に付着して滑らず、前記非定着領域が伸びる第１の形態と、
   前記第１の形態からさらに前記地山が変形した場合に対応して、前記定着部の前記定着材への定着が切れることによって、前記非定着領域が前記第１の形態で伸びた長さを維持しながら、前記スリーブ部が前記規制部材に近づくように前記定着材に対して相対的に移動する第２の形態と、
   前記第２の形態からさらに前記地山が変形した場合に対応して、前記スリーブ部が前記規制部材に当接することによって前記スリーブ部の移動が阻害されると共に、前記非定着領域が前記第１の形態で伸びた長さからさらに伸びる第３の形態と、を取る、請求項４に記載のロックボルト。
6. 地山に設けられた孔に充填された定着材に埋め込まれて、前記地山の変形に対応して地山を支保する棒体を備えるロックボルトであって、
   前記孔の奥側に配置され、前記地山の変形に伴って前記孔の開口の方向に移動する前記棒体より外径の大きい第１支持部と、
   前記第１支持部よりも前記孔の開口側に配置され、先端が前記第１支持部に連結され、基端が前記孔の開口から突出すると共に前記開口を囲む前記地山の表面に取り付けられる前記棒体と、前記棒体が挿通される貫通孔を有し前記棒体において前記定着材が定着しない非定着領域を形成するシースと、を有する可動軸部と、を備え、
   前記地山の変形に対応して、前記棒体が引っ張られることにより前記第１支持部が前記棒体の移動を妨げる力を発生する形態と、
   前記棒体の移動を妨げる力を発生する形態からさらに前記地山が変形した場合に対応して、前記第１支持部が前記定着材に付着して滑らず、前記非定着領域が伸びる形態と、を取る、ロックボルト。
7. 地山に設けられる支保構造であって、
   前記地山に形成された孔に充填される定着材と、
   請求項１～６の何れか一項に記載の前記ロックボルトと、を備える、支保構造。
   

Images