WO2017119145A1 - ロックボルト - Google Patents

Abstract

地山１０１に設けられた孔１０３に埋め込まれるロックボルト１は、孔１０３の内部に配置され、弾性変形可能な可動側伸長部１６，１７，１８を有する可動側棒体３と、孔１０３の内部において可動側棒体３に対して並置された固定側棒体２と、可動側棒体３を固定側棒体２に対して移動可能に連結するシリンダケース２２と、可動側棒体３が固定側棒体２に対して移動するときに、移動方向Ａ１とは逆方向Ａ２の力を発生させる圧縮バネ２４と、可動側棒体３が移動可能な範囲を規定するスライド規制機構２３と、を備える。可動側棒体３の可動側伸長部１６，１７，１８の剛性は、圧縮バネ２４の剛性よりも大きい。

Description

ロックボルト

　本発明は、ロックボルトに関する。

　この技術分野では、特許文献１に開示されたロックボルトが知られている。このロックボルトは、複数のアンカーと、アンカー同士の間に設けられたステムとを有する。このステムは、地山のゆっくりとした変形による静的な負荷と、地山に発生する亀裂などによる動的な負荷と、に対応することができる。

特表２０１０－５１３７６３号公報

　トンネルの施工は、トンネルの中心から地山内部へ向かう方向に複数の穴を設ける工程と、当該穴にロックボルトを埋め込む工程と、を含む。埋め込まれたロックボルトは、ロックボルト付近における地山の変形に伴って伸びて応力を発生させる。この応力は、地山の地圧に対抗する。

　例えば、高い地圧が発生すると予想される箇所には、高剛性のロックボルトを用いればよい。しかし、掘削周囲の環境によって予想よりも地圧が小さくなることもある。この場合には、ロックボルトは過度な強度を有することになるので、不経済である。また、そもそもの地圧が過大である場合には、地圧の大きさがロックボルトの強度を上回り、ロックボルトが地圧に対抗できないこともあり得る。この場合には、地山が変形すると地圧が低下する傾向にある性質を利用する。具体的には、所定量の地山の変形を許容することにより地山をある程度低下させる。この低下させた地圧にロックボルトを対抗させる。

　これらの対応は、地圧の大きさや、地山の変形量と地圧との関係などが予測された範囲内である場合に有効である。すなわち、ロックボルトは、予測された地山特性に対応するように設計されている。しかし、地山特性は土被り高さや掘削周囲の環境によってさまざまな態様を取り得る。従って、当該技術の分野においては広範な地山特性に対応可能なロックボルトが望まれていた。

　本発明の一形態は、地山に設けられた孔に埋め込まれるロックボルトであって、孔の内部に配置され、弾性変形可能な第１の伸長部を有する第１の部材と、孔の内部に配置され、第１の部材に対して並置された第２の部材と、第１の部材及び第２の部材の一方を他方に対して相対的に移動可能に連結するスライド連結機構と、第１の部材及び第２の部材の一方が他方に対して移動するときに、移動方向とは逆方向の力を発生させるスライド制御機構と、第１の部材及び第２の部材の一方に対して他方が移動可能な範囲を規制するスライド規制機構と、を備え、第１の伸長部の剛性は、スライド制御機構の剛性よりも大きい。

　このロックボルトは、スライド連結機構を備えているので第１の部材及び第２の部材の一方を他方に対して相対的に移動させ得る。そして、当該移動の際に、スライド制御機構は、移動に対する抵抗力を発生させる。さらに、第１の部材及び第２の部材は、スライド規制機構によって最大移動位置が規定されている。ロックボルトが埋設された地山が変形したとき、まず、ロックボルトは、スライド制御機構による第１の部材及び第２の部材の移動により、抵抗力を発生させつつ、地山の変形に対応する。この抵抗力によれば、比較的小さい地圧に対抗することが可能である。従って、ロックボルトは、比較的小さい地圧を生じさせる地山を支保することができる。そして、第１の部材及び第２の部材が最大移動位置に到達した後は、第１の部材における伸長部の伸びによって地山の変形に対応する。この伸長部の伸びによれば応力が発生する。当該応力によれば、比較的大きい地圧に対抗することが可能である。従って、ロックボルトは、比較的大きい地圧を生じさせる地山を支保することができる。ここで、第１の部材の伸長部の剛性は、スライド制御機構の剛性よりも高い。このため、地山の変形が生じたとき、まずスライド連結機構による移動が発生し、その後に第１の伸長部の伸びが発生する。従って、ロックボルトは、比較的小さい地圧を発生させる地山の支保と、比較的大きい地圧を発生させる地山の支保と、に対応することが可能になる。従って、ロックボルトは、広範な地山特性に対応することができる。

　スライド連結機構は、第１の部材の一端及び第２の部材の一端を連結し、スライド規制機構は、第１の部材の他端から第２の部材の他端までの最大長さを規定し、第１の部材は、第１の伸長部よりも他端側に設けられ、地山に対する相対的な位置が維持される第１のアンカー部を有してもよい。このスライド規制部によれば、スライド制御機構が発生させる抵抗力を利用して地山を支保する状態を所望の状態に制御することが可能になる。また、これらアンカー部によれば、第１の部材及び第２の部材に生じる応力を利用して地山を支保する状態を所望の状態に制御することが可能になる。

　ロックボルトは、第１のアンカー部よりも他端側に取り付けられ、地山に対する相対的な位置が維持される定着機構をさらに備え、第１の部材は、他端と第１のアンカー部との間に設けられた第２の伸長部をさらに有してもよい。この構成によれば、定着機構が孔の開口部に引っ掛かる。このため、定着機構が取り付けられている第１の部材の他端がアンカーとして機能する。従って、第２の伸長部が伸長可能になるので、地山の変形に対応する領域を増やすことができる。

　スライド制御機構は、圧縮バネであってもよい。圧縮バネの変形量と力との関係は、容易に得ることができる。従って、棒体の移動方向とは逆方向の力を容易に設定することができる。

　第１のアンカー部の断面積は、第１の伸長部の断面積より大きくてもよい。この構成によれば、第１の伸長部から地山に向けてアンカー部が突出する。この突出した部分は、第１の部材が移動する方向における抵抗となるので、地山に対するアンカー部の相対的な位置を好適に維持することができる。

　本発明に係るロックボルトによれば、広範な地山特性に対応することができる。

本実施形態に係るロックボルトが適用されるトンネルの断面を示す図である。 本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２に示されたロックボルトの動作を示す断面図である。 ロックボルトの支保機能を説明するためのグラフである。 変形例に係るロックボルトを示す断面図である。 比較例１に係るロックボルトを示す断面図である。 比較例２に係るロックボルトを示す断面図である。

　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。

　図１に示されるように、ロックボルト１は、いわゆる新オーストリアトンネル工法（New Austrian Tunneling Method：NATM）を利用したトンネル施工に用いられる。ＮＡＴＭによるトンネル施工では、まず、地山１０１を掘削する。次に、コンクリート壁１０２を設ける。次に、コンクリート壁１０２から地山１０１に延在する孔１０３を設ける。そして、当該孔１０３にロックボルト１を埋め込む。

　図２に示されるように、ロックボルト１は、孔１０３に充填された定着材１０４に埋め込まれる。この定着材１０４は、例えば、モルタルやレジンなどである。

　ロックボルト１は、固定側棒体（第２の部材）２と、可動側棒体（第１の部材）３と、定着機構４と、連結機構（スライド連結機構）６と、を備える。

　固定側棒体２は、底１０３ｂ側において可動側棒体３に対して並置される。固定側棒体２は円柱状の棒体である。固定側棒体２は、底１０３ｂから開口１０３ａに向かって延在する。固定側棒体２には、比較的剛性の高い高張力鋼棒が用いられる。固定側棒体２の一端は、連結機構６に固定される。固定側棒体２の他端は、定着材１０４に埋め込まれる。

　固定側棒体２は、２個の固定側アンカー７，８と、固定側軸部９と、固定側伸長部１１と、をさらに有する。地山１０１が変形したとき、地山１０１に対する固定側アンカー７，８の相対的な位置は、維持される。地山１０１に対する位置が維持できるとは、地山１０１の変形に伴う固定側アンカー７，８の移動量が、固定側軸部９の伸びよりも小さいことを意味する。この構成によれば、地山１０１の変形は、固定側伸長部１１に作用する。固定側アンカー７，８の形状は、地山１０１に対する位置が維持できる形状であれば特に制限されない。固定側アンカー７，８は、固定側軸部９の断面積よりも大きい断面積を有する円盤状の形状を有する。換言すると、固定側アンカー７，８の外径は、固定側軸部９の外径よりも大きい。固定側アンカー７は、固定側軸部９における一端の近傍に配置される。固定側アンカー８は、固定側軸部９における他端の近傍に配置される。固定側伸長部１１は、固定側アンカー７，８の間に設けられる。固定側伸長部１１は、地山１０１の変形に伴って弾性変形可能である。固定側伸長部１１は、固定側軸部９の直径と鉄鋼材料のヤング率とに基づく剛性を有する。

　可動側棒体３は、孔１０３の開口１０３ａ側に配置される。可動側棒体３は、円柱状の棒体である。可動側棒体３は、孔１０３から突出するように延在する。可動側軸部１２には、固定側棒体２と同様に比較的剛性の高い高張力鋼棒が用いられる。可動側棒体３の一端は、連結機構６に連結される。可動側棒体３の他端は開口１０３ａから突出する。可動側棒体３の他端には、定着機構４が取り付けられる。

　可動側棒体３は、可動側軸部１２と、可動側アンカー１３，１４と、ピストン１５と、可動側伸長部１６，１７，１８と、を有する。可動側アンカー１３，１４は固定側棒体２の固定側アンカー７，８と同様の機能及び構成を有する。可動側アンカー（第１のアンカー部）１３は、可動側軸部１２の他端近傍に取り付けられる。可動側アンカー１４は、可動側アンカー１３とピストン１５との間に取り付けられる。ピストン１５は、円盤状の形状を有する。ピストン１５は、可動側軸部１２の一端に固定される。ピストン１５の外径は、可動側軸部１２の外径よりも大きい。可動側伸長部１６，１７，１８は、固定側伸長部１１と同様に、地山１０１の変形に伴って、弾性変形することができる。可動側伸長部１６，１７，１８は、可動側軸部１２の直径と鉄鋼材料のヤング率とに基づく剛性を有する。可動側伸長部（第１の伸長部）１６は、可動側アンカー１３，１４の間に設けられる。可動側伸長部（第２の伸長部）１７は、可動側アンカー１３よりも他端側において、可動側アンカー１３と定着機構４との間に設けられる。可動側伸長部１８は、可動側アンカー１３よりも一端側において、可動側アンカー１４とピストン１５との間に設けられる。

　定着機構４は、地山１０１に対する可動側棒体３の他端の相対的な位置を維持する。定着機構４は、座金１９とボルト２１とを有する。座金１９は、円板又は矩形状の板材である。座金１９の面積は、開口１０３ａの開口面積よりも大きい。座金１９の中央部には貫通穴が設けられる。孔１０３には可動側棒体３の他端側が挿通される。ボルト２１は、可動側棒体３の他端側に設けられた雄ネジ部に取り付けられる。ボルト２１は、座金１９を地山１０１に押し付ける力を生じさせる。

　連結機構６は、円筒状のシリンダケース（スライド連結機構）２２を有する。シリンダケース２２は、固定側棒体２及び可動側棒体３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。シリンダケース２２は、固定側棒体２及び可動側棒体３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２２の一端壁２２ａには、固定側棒体２が固定される。一端壁２２ａは、孔１０３の底１０３ｂと対面する。シリンダケース２２の内部には、ピストン１５が収容される。シリンダケース２２の他端壁２２ｂは、貫通孔２２ｃを有する。貫通孔２２ｃには、可動側伸長部１８が挿通される。貫通孔２２ｃの中心軸線は、シリンダケース２２の中心軸線と重複する。貫通孔２２ｃの内径は、可動側軸部１２の外径よりもわずかに大きい。シリンダケース２２の内径は、ピストン１５の外径よりもわずかに大きい。要するに、シリンダケース２２に対して可動側棒体３が摺動可能であればよい。ピストン１５と他端壁２２ｂとは、スライド規制機構２３を構成する。スライド規制機構２３は、固定側棒体２に対する可動側棒体３の移動可能な範囲を規制する。

　シリンダケース２２には、複数の圧縮バネ（スライド制御機構）２４が収容される。圧縮バネ２４は、固定側棒体２及び可動側棒体３の一方が他方に対して移動するときに、移動方向とは逆方向の力を発生させる。圧縮バネ２４は、ピストン１５と他端壁２２ｂとの間に配置される。

　次に、地山１０１が変形したときのロックボルト１の動作について説明する。

　図３の（ａ）部は、初期状態におけるロックボルト１を示す。初期状態では、可動側棒体３のピストン１５は、圧縮バネ２４によってシリンダケース２２の一端壁２２ａに押し当てられる。ロックボルト１の全長は、固定側棒体２の他端から可動側棒体３の他端までの長さＬ１である。従って、初期状態におけるロックボルト１の長さＬ１は、最も短い。初期状態のロックボルト１において、地山１０１に対して位置が維持される箇所は、定着機構４が取り付けられた部位１２ａと、可動側アンカー１３，１４と、固定側アンカー７，８と、である。従って、移動方向Ａ１に沿って地山１０１が変形したとき、初期状態のロックボルト１は、地山１０１の変形に追従可能な３個の領域を有する。３個の領域とは、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３である。第１領域Ｒ１は、部位１２ａと可動側アンカー１３との間の領域である。第２領域Ｒ２は、可動側アンカー１３と固定側アンカー７との間の領域である。第３領域Ｒ３は、固定側アンカー７，８の間の領域である。

　第１領域Ｒ１には、可動側伸長部１７が設けられる。第３領域Ｒ３には、固定側伸長部１１が設けられる。従って、第１領域Ｒ１と第３領域Ｒ３とは、可動側伸長部１７及び固定側伸長部１１の剛性に基づいて伸長することにより、地山１０１の変形に対応する。一方、第２領域Ｒ２には、連結機構６が設けられる。従って、第２領域Ｒ２は、連結機構６が収容する圧縮バネ２４の剛性に基づいて可動側棒体３が移動することにより、地山１０１の変形に対応する。ここで、可動側伸長部１７及び固定側伸長部１１の剛性は、圧縮バネ２４の剛性よりも大きい。換言すると、圧縮バネ２４の剛性は、可動側伸長部１７及び固定側伸長部１１の剛性よりも小さい。この剛性の関係によれば、地山１０１の変形が生じたとき、第１領域Ｒ１及び第３領域Ｒ３の伸びが生じるよりも先に、第２領域Ｒ２の伸びが生じる。

　図３の（ｂ）部は、第２領域Ｒ２の伸びが最大になったときのロックボルト１を示す。図３の（ａ）部に示される初期状態から（ｂ）部に示される状態に移行するまでの間では、ピストン１５が開口１０３ａ側に徐々に移動する。従って、圧縮バネ２４は縮まる。圧縮バネ２４の縮みによって、ピストン１５の移動方向Ａ１とは逆方向Ａ２の力がピストン１５に作用する。ピストン１５に作用した力は、可動側軸部１２を介して可動側アンカー１３，１４及び部位１２ａに伝達され、地山１０１の変形を妨げる。

　そして、図３の（ｂ）部に示されるように、圧縮バネ２４が最短長さになるまで圧縮されると、ピストン１５は開口１０３ａ側に移動できなくなる。初期状態からピストン１５の移動が規制されるまでの間を、第１の状態と呼び、移動が規制された後の状態を第２の状態と呼ぶ。第２の状態では、移動方向Ａ１に向けて可動側棒体３が移動することが規制される。従って、第２の状態におけるロックボルト１は、地山１０１の変形に追従可能な５個の領域を有する。５個の領域とは、第１領域Ｒ１、第３領域Ｒ３に加え、さらに、第４領域Ｒ４、第５領域Ｒ５、第６領域Ｒ６である。第４領域Ｒ４は、可動側アンカー１３，１４の間の領域である。第５領域Ｒ５は、可動側アンカー１４とピストン１５との間の領域である。第６領域Ｒ６は、シリンダケース２２と固定側アンカー７との間の領域である。

　例えば、図３の（ｃ）部に示されるように、第３領域Ｒ３に対応する地山１０１の一部１０１ｂが変形したとき、固定側アンカー７，８の間の固定側伸長部１１が伸ばされるように固定側伸長部１１に力が作用する。このとき、固定側棒体２は、作用する力の大きさと固定側伸長部１１の剛性とに基づいて伸びる。同様に、例えば、第４領域Ｒ４に対応する地山１０１の一部１０１ｃが変形したとき、可動側伸長部１６が伸ばされるように可動側棒体３に力が作用する。このとき、可動側棒体３は、作用する力の大きさと可動側伸長部１６の剛性とに基づいて伸びる。

　上述したロックボルト１の作用効果について、比較例に係るロックボルトと比較しつつ説明する。

　まず、地山における地山特性について説明する。図４は、地山特性を示す地山特性曲線が示されたグラフである。横軸は変位を示す。縦軸は応力を示す。この応力は、地圧ともいう。地山特性曲線Ｇ１～Ｇ６は、それぞれ地山特性が異なる地山の変位と地圧との関係を示す。地山特性曲線Ｇ１～Ｇ６と地山特性との関係は以下のとおりである。土被り高さとは、トンネルの上端から地面までの地山の厚さである。地山等級は、地山の挙動を示す指標の一つである。なお、以下の説明において、地山１０１は、地山特性曲線Ｇ４に示される地山特性を有するものとする。
　　地山特性曲線Ｇ１…土被り高さ：低、地山等級：やや硬質。
　　地山特性曲線Ｇ２…土被り高さ：中、地山等級：やや硬質。
　　地山特性曲線Ｇ３…土被り高さ：高、地山等級：やや硬質。
　　地山特性曲線Ｇ４…土被り高さ：低、地山等級：やや軟質。
　　地山特性曲線Ｇ５…土被り高さ：中、地山等級：やや軟質。
　　地山特性曲線Ｇ６…土被り高さ：高、地山等級：やや軟質。

　地山特性曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を比較すると、土被り高さが高いほど地圧が大きくなることがわかる。地山特性曲線Ｇ１（土被り高さ：低、地山等級：やや硬質）を参照すると、変位が大きくなるほど地圧が小さくなることがわかる。この傾向は、その他の地山特性曲線Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６においても同様である。また、同じ土被り高さである地山特性曲線Ｇ１（土被り高さ：低、地山等級：やや硬質）と地山特性曲線Ｇ４（土被り高さ：低、地山等級：やや軟質）とを比較すると、地山特性曲線Ｇ４の傾きが地山特性曲線Ｇ１の傾きよりも緩い。換言すると、地山等級が低いほど傾きが緩くなることがわかる。そして、地山は、変位が小さい場合には弾性変形を生じるが、変位（又はひずみ）が大きい場合には塑性変形を生じる。それぞれの地山特性曲線Ｇ１～Ｇ６に示された点Ｐ１～Ｐ６は、地山の弾性変形の限界値を示す。例えば、地山特性曲線Ｇ１（土被り高さ：低、地山等級：やや硬質）である地山の変位が、点Ｐ１に示される変位よりも大きくなると、塑性変形を生じる。なお、これらの地山特性は、一般的な傾向であり、プレート運動や断層の存在によって土被り高さと地圧との関係は多様である。また、地山物性値も一個の領域において一様ではない。従って、これら地山特性を精度よく把握することは困難である。

　まず、比較例に係るロックボルトについて説明する。図６は、比較例１に係るロックボルト２０１を示す。図６の（ａ）部に示されるように、比較例１は、いわゆる全面定着型であるロックボルト２０１である。ロックボルト２０１は、心材２０２の外周面に設けられた雄ネジ状の凹凸部（不図示）を有する。モルタルといった定着材１０４は、この凹凸部に入り込むので、ロックボルト２０１の定着材１０４に埋め込まれた部分が地山１０１に対して相対的な位置が維持される。

　図４のボルト特性線図Ｇ１１は、ロックボルト２０１の変位と、ロックボルト２０１に発生する応力との関係を示す。地山１０１が変形すると、全面定着型であるロックボルト２０１は、地山１０１の変形に対応して伸びる（図６の（ｂ）部の伸びΔＳ３参照）。この伸びによってロックボルト２０１に応力が発生する。ボルト特性線図Ｇ１１に示されるように、ロックボルト２０１の伸びが大きくなると、伸びに比例して応力が増加する。ロックボルト２０１の伸びが、鉄鋼材料の降伏点（ボルト特性線図Ｇ１１の点Ｐ８参照）を越えると、ロックボルト２０１は塑性変形を生じ、最終的に破断に至る（図６の（ｃ）部の伸びΔＳ４、及びボルト特性線図Ｇ１１の点Ｐ９参照）。

　ここで、地山１０１の地山特性は、地山特性曲線Ｇ４（土被り高さ：低、地山等級：やや軟質）である。ロックボルト２０１による地山１０１の支保状態は、ボルト特性線図Ｇ１１と、地山特性曲線Ｇ４との交点Ｐ７により示される。ロックボルト２０１は、定着材１０４に埋め込まれた心材２０２が地山１０１に対して相対的な位置が維持された状態であるので、高い引き抜き耐力が発揮される。例えば、地山１０１よりも大きい地圧を生じる別の地山（地山特性曲線Ｇ２，Ｇ３，Ｇ５参照）であっても、ボルト特性線図Ｇ１１は、地山特性曲線Ｇ２，Ｇ３，Ｇ５との交点を有する。従って、地山の変形抑制効果を高めることができる。一方、さらに大きい地圧を生じさせる地山（地山特性曲線Ｇ６参照）の場合には、ボルト特性線図Ｇ１１と地山特性曲線Ｇ６との交点が存在しない。これは、地圧にロックボルト２０１が耐えることができずにロックボルト２０１が破断するためである。ロックボルト２０１が破断すると、支保機能は失われる。具体的には、想定以上の地圧が作用すると、ロックボルト２０１と定着材１０４との間の付着切れや、ロックボルト２０１の破断が生じる可能性がある。

　図７は、比較例２に係るロックボルト３０１を示す。図７の（ａ）部に示されるように、比較例２は、いわゆるスライド型のロックボルト３０１である。ロックボルト３０１は、シリンダケース３０２と、ピストン３０３と、棒体３０４と、を備える。ピストン３０３は、棒体３０４の一端に取り付けられる。ピストン３０３は、シリンダケース３０２に収容されている。ピストン３０３は、シリンダケース３０２の内部において、棒体３０４の中心軸線の方向に移動可能である。棒体３０４の他端は、孔１０３から突出する。棒体３０４の他端には、座金１９とボルト２１とが取り付けられる。棒体３０４の外周面には、ロックボルト２０１のような凹凸部は設けられない。すなわち、棒体３０４は、定着材１０４との摩擦を低減させることにより、地山１０１の変形に追従できる。

　図４のボルト特性線図Ｇ１２は、ロックボルト３０１の伸びと、ロックボルト３０１に発生する応力との関係を示す。地山１０１が伸びると、スライド型であるロックボルト３０１は、棒体３０４が定着材１０４に対して滑ると共に、シリンダケース３０２内においてピストン３０３が移動する（図４及び図７の（ｂ）部の伸びΔＳ５参照）。このときの伸びと応力との状態は、ボルト特性線図Ｇ１２において、点Ｐ１１から点Ｐ１２までの間で示される。ボルト特性線図Ｇ１２の点Ｐ１１から点Ｐ１２の間に示されるように、ロックボルト３０１では、棒体３０４の移動に起因する応力は発生しない。つまり、ロックボルト３０１の初期状態（図７の（ａ）部参照）から、ピストン３０３がシリンダケース３０２に当接するまで（図７の（ｂ）部参照）の間では、応力は一定であり、応力が増加することはない。そして、ピストン３０３がシリンダケース３０２と当接した後（図７の（ｂ）部参照）に、さらに地山１０１が変形する。このとき、棒体３０４は地山１０１の変形に対応するように移動することができない。従って、地山１０１の変形に対応するように棒体３４が伸びる（図４及び図７の（ｃ）部の伸びΔＳ６参照）。この伸びによって、ロックボルト３０１の棒体３０４に応力が発生する。

　地山１０１が変形すると、ロックボルト３０１は、その変形に対応して棒体３０４が移動する。従って、ロックボルト３０１は、全長が伸びる（点Ｐ１１から点Ｐ１２の間参照）。ロックボルト３０１は、地山１０１の変形を許容するので、地山１０１の地圧が変位量の増加に伴って減少する。次に、ピストン３０３がシリンダケース３０２に当接した後は、地山１０１の変形に対応して棒体３０４が伸びる。そして、地山特性曲線Ｇ４とボルト特性線図Ｇ１２との交点Ｐ１３に示されるように、地山１０１の地圧と棒体３０４の応力とが釣り合ったとき、ロックボルト３０１は支保状態に至る。

　ロックボルト３０１によれば、地山１０１の変形がある程度許容される。従って、地山１０１における地圧が低下した状態で支保状態に至る。具体的には、地山特性曲線Ｇ４に示される地山特性を有する地山１０１であるとき、ロックボルト２０１の支保状態（交点Ｐ７参照）における地圧よりも、ロックボルト３０１の支保状態（交点Ｐ１３参照）における地圧が低い。このように、スライド型のロックボルト３０１は、地山１０１の変形を許容することにより、支保状態における応力を低下させることができる。

　一方、シリンダケース３０２内でピストン３０３が移動している間（点Ｐ１１から点Ｐ１２の間）では、ロックボルト３０１は、地山１０１を支保するなんらの力も生じさせない。従って、ロックボルト３０１は、地山１０１の過度な緩みを生じさせる虞がある。この過度な緩みは、地山を崩壊させることもあり得る。地山が地山特性曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に示される地山特性を有するとき、支保状態を示すボルト特性線図Ｇ１２と、地山特性曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４との交点は、全て弾性限界を超えた領域に存在する。換言すると、ロックボルト３０１の棒体３０４の移動は、地山特性曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に示される地山特性を有する地山に対しては不要な移動を含んでいる可能性がある。この不要な移動により、支保状態において地山１０１が塑性変形している。

　次に、本実施形態に係るロックボルト１の変位と応力との関係について説明する。さらに、ロックボルト１の変位及び応力の状態に対する地圧の関係について説明する。図４に示されたボルト特性線図Ｇ１３は、ロックボルト１の変位と応力との関係を示す。

　点Ｐ１４は、ロックボルト１が初期状態（図３の（ａ）部参照）であるときの変位と力との関係を示す。初期状態では、ロックボルト１にはなんらの応力も発生していない。次に、点Ｐ１４から点Ｐ１５までの範囲は、ロックボルト１が第１の状態（図３の（ａ）部から（ｂ）部に遷移するまでの状態）であるときの変位と応力との関係を示す。この範囲では、圧縮バネ２４の剛性と圧縮バネ２４の縮み長さとに対応する力が発生する。なお、点Ｐ１４から点Ｐ１５までの変位ΔＳ１は、ピストン１５の移動可能な長さに対応する。そして、点Ｐ１５から点Ｐ１６までの範囲は、ロックボルト１が第２の状態（図４の（ｂ）部から（ｃ）部に遷移するまでの状態）であるときの変位と応力との関係を示す。この範囲では、伸びΔＳ２が発生した固定側伸長部１１及び可動側伸長部１６，１７，１８における剛性と伸長長さとに対応する力が発生する。なお、点Ｐ１５から点Ｐ１６の間のボルト特性線図Ｇ１３の傾きは、固定側伸長部１１及び可動側伸長部１６，１７，１８における剛性に対応する。ボルト特性線図Ｇ１３に示されるように、ロックボルト１は、互いに異なる２つの変位－応力の関係の範囲を有する。

　地山１０１が変形すると、ロックボルト１は、その変形に対応して可動側棒体３が移動するので、長さＬ１が伸びる（点Ｐ１４から点Ｐ１５の間参照）。ロックボルト１は、地山１０１の変形を許容する。従って、地山１０１の地圧は、変位量の増加に伴って減少する。一方、ロックボルト１は、可動側棒体３の移動に伴い、圧縮バネ２４によって移動方向Ａ１と逆方向Ａ２の応力を発生させる。地山特性曲線Ｇ４とボルト特性線図Ｇ１３との交点Ｐ１７に示されるように、地山１０１の地圧と圧縮バネ２４の応力とが釣り合ったとき、ロックボルト１は支保状態に至る。

　ここで、地山特性曲線Ｇ４以外の地山特性曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ５，Ｇ６と、ボルト特性線図Ｇ１３とを参照すると、ボルト特性線図Ｇ１３は、地山特性曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ５，Ｇ６のいずれの曲線とも交点Ｐ１８～Ｐ２２を有することがわかる。すなわち、ロックボルト１は、地山特性曲線Ｇ１～Ｇ６に示される地山特性を有するいずれの地山においても、支保状態に至ることができる。従って、ロックボルト１は、広範な地山特性に対応することができる。

　さらに、支保状態を示す交点Ｐ１７～Ｐ２２は、いずれも弾性変形の限界値を示す点Ｐ１～Ｐ６よりも変形量が小さい範囲に属する。従って、ロックボルト１は、弾性変形領域内において支保状態に至ることができる。一般に地山１０１は、塑性化した場合、時間の経過に伴って強度が劣化する可能性が高まることから、弾性変形領域で支保されることが望ましい。従って、ロックボルト１は好適な条件で地山１０１を支保できる。なお、地山１０１は、塑性変形領域において支保状態に至ってもよい。

　要するに、ロックボルト１では、地山１０１の変形と共に可動側棒体３が移動する。この可動側棒体３の移動により、地山１０１の変形が許容されて地圧が低下する。この可動側棒体３の移動は、圧縮バネ２４による応力も発生させる。そして、可動側棒体３の移動量が最大となった後に、固定側伸長部１１及び可動側伸長部１６，１７，１８が変形する。すなわち、地圧の変化が収束した後に、可動側棒体３及び固定側棒体２に変形を生じさせる。この効果は、比較例２のロックボルト３０１の効果と比較すると容易に理解できる。すなわち、比較例２のロックボルト３０１は、棒体３０４が移動している間は支保に寄与する応力を生じない。従って、比較例２のロックボルト３０１は、地山１０１の過度な変形を許す虞がある。一方、本実施形態のロックボルト１は、可動側棒体３が移動している間にも圧縮バネ２４に起因する支保に寄与する応力が生じる。この応力によれば、棒体３０４と可動側棒体３の移動量が同じであったとしても、地山特性曲線Ｇ１～Ｇ６に示される地山を弾性変形領域内で支保できる。従って、ロックボルト１は、地山１０１の過大な変形を抑制しつつ、可動側棒体３及び固定側棒体２に過大な応力が発生することを防止できる。

　換言すると、本実施形態に係るロックボルト１は、比較的大きい地圧により生じる地山１０１の変形に対して、可動側棒体３が移動すると共に固定側伸長部１１、可動側伸長部１６，１７，１８がわずかに移動する。固定側伸長部１１及び可動側伸長部１６，１７，１８には一定の引っ張り応力が発生して、この応力が地圧に抵抗する。連結機構６により生じる変位がスライド長に達することで、可動側棒体３の移動が規制される。従って、可動側棒体３はスライド長以上に移動することはできない。スライド長は、シリンダケース２２内におけるピストン１５の可動範囲として設定される。

　このスライド長は、地山特性に適合するように適宜設定してもよいが、地山１０１の土被り高さや地山等級を事前に正確に把握することは難しい場合がある。従って、図４のＧ１～Ｇ６に示されるような一般的な地山特性曲線の地山の変形に対して広く追従できるロックボルトが求められる。

　一般的にロックボルトには鋼材が用いられる。この鋼材として、ＳＴＤ５１０（ＪＩＳ　Ｍ　２５０６‐１９９２）、ＳＤ３４５（ＪＩＳ　Ｍ　２５０６‐１９９２）、ＳＤ２９５（ＪＩＳ　Ｍ　２５０６‐１９９２）、ＳＳ１２３２（スェーデン工業規格）等が挙げられる。これらの材料は０．２％程度の伸び（歪み）により降伏に至るが、その後は塑性変形して１５％～２０％伸びて破断に至る。しかし、ロックボルト１のスライド部を除くロックボルト１の可動側棒体３及び固定側棒体２はモルタル等の定着材１０４を介して地山１０１に固定されている。地山の局部的な変形を考慮すると、これらの伸びは、地山の変形（変位）に対してロックボルトの変形可能な変形量の５０％程度以下しか寄与しない。ロックボルト１のスライド長は、スライド部のスライド長を除くロックボルト全長に対する塑性変形可能な変形量と同等であることが好ましい。具体的には、スライド部のスライド長を除くロックボルト全長に対して、下限側は１０％以上であり、好ましくは５％以上であってよい。上限側は１５％以下であり、好ましくは２０％以下のスライド長があってよい。このような範囲によれば、一般的な地山の変形に対して広く追従することが可能となる。なお、ここでいう「スライド部のスライド長を除くロックボルト全長」とは、例えば、図３の（ａ）部に示されたようにピストン１５が一端壁２２ａに接触した状態における、固定側棒体２の他端から可動側棒体３の他端までの長さＬ１である。すなわち、ロックボルト１の初期状態であり、ロックボルト１が最も縮んだ状態の長さであるともいえる。

　さらに、一般的な地山の変形に対して広く追従するためには、図４のグラフＧ１３に示されるボルト特性を所望の特性に設定することが望まれる。図４に示されるように、ボルト特性は変位と応力（地圧）との関係により示される。このボルト特性は、ロックボルト１が備える連結機構６の伸びや、固定側棒体２及び可動側棒体３における伸び、或いは、固定側棒体２及び可動側棒体３に設けられたアンカー７，８の配置によって制御することが可能である。例えば、節となるアンカー７，８は、定着材であるモルタルとの間で摩擦力及び抵抗力を発生させる。この摩擦力及び抵抗力は、アンカー７，８の寸法（例えば高さ）や配置間隔により制御できる。アンカー７，８によれば比較的大きい摩擦力・抵抗力を発生し得るので、ボルト特性の制御に有効である。

　なお、上述した実施形態は本発明に係るロックボルトの一例を示すものである。本発明に係るロックボルトは、実施形態に係るロックボルトに限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、実施形態に係るロックボルトを変形し又は他のものに適用したものであってもよい。

　図５の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、アンカー部は、地山１０１に対する相対的な位置を維持可能であれば、上記実施形態の可動側アンカー１３，１４及び固定側アンカー７，８の形状に限定されず、種々の形状を採用し得る。図５の（ａ）部に示されたアンカー部８Ｃは、こぶ状の形状を有する。また、図５の（ｂ）部に示されたアンカー部８Ｄは、棒体の一部がＳ字状に曲げられた形状を有する。

　図５の（ｃ）部、（ｄ）部、及び（ｅ）部に示されるように、スライド制御機構は、可動側棒体３の移動に際して抵抗力を発生可能であれば、上記実施形態のように圧縮バネ２４に限定されず、種々の構成を採用し得る。図５の（ｃ）部に示されたスライド制御機構２６は、ピストンケース２６ａ内に充填された圧縮性流体２６ｂを有する。可動側棒体３が移動するとき、圧縮性流体２６ｂはピストン２６ｃにより圧縮される。図５の（ｄ）部に示されたスライド制御機構２７は、可動側棒体３に設けられた円錐部２７ａを有する。可動側棒体３が移動するとき、円錐部２７ａはピストンケース２７ｂ内に充填された樹脂２７ｃに食い込みながら移動する。この構成によれば、円錐部２７ａが樹脂２７ｃに食い込むに従って見かけの剛性が高まる。図５の（ｅ）部に示されたスライド制御機構２８は、可動側棒体３に設けられた円錐部２８ａを有する。リング２８ｂは、円錐部２８ａから開口側に所定距離だけ離れた位置に配置される。この構成によれば、円錐部２８ａがリング２８ｂに近づくにつれて、モルタルといった定着材１０４のせん断破壊が発生し難くなるので、見かけの剛性が高まる。

１…ロックボルト、２…固定側棒体（第２の部材）、３…可動側棒体（第１の部材）、４…定着機構、６…連結機構（スライド連結機構）、７，８…固定側アンカー、９…固定側軸部、１１…固定側伸長部、１２…可動側軸部、１３…可動側アンカー（第１のアンカー部）、１４…可動側アンカー、１５…ピストン、１６…可動側伸長部（第１の伸長部）、１７…可動側伸長部（第２の伸長部）、１８…可動側伸長部、２２…シリンダケース、２２ａ…一端壁、２２ｂ…他端壁、２３…スライド規制機構、２４…圧縮バネ（スライド制御機構）、１０１…地山、１０３…孔、１０４…定着材、Ｇ１～Ｇ６…地山特性曲線、Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３…ボルト特性線図。
 

Claims (5)

1. 　地山に設けられた孔に埋め込まれるロックボルトであって、
   　前記孔の内部に配置され、弾性変形可能な第１の伸長部を有する第１の部材と、
   　前記孔の内部に配置され、前記第１の部材に対して並置された第２の部材と、
   　前記第１の部材及び前記第２の部材の一方を他方に対して相対的に移動可能に連結するスライド連結機構と、
   　前記第１の部材及び前記第２の部材の一方が他方に対して移動するときに、移動方向とは逆方向の力を発生させるスライド制御機構と、
   　前記第１の部材及び前記第２の部材の一方に対して他方が移動可能な範囲を規制するスライド規制機構と、を備え、
   　前記第１の伸長部の剛性は、前記スライド制御機構の剛性よりも大きい、ロックボルト。
2. 　前記スライド連結機構は、前記第１の部材の一端及び前記第２の部材の一端を連結し、
   　前記スライド規制機構は、前記第１の部材の他端から前記第２の部材の他端までの最大長さを規定し、
   　前記第１の部材は、前記第１の伸長部よりも前記他端側に設けられ、前記地山に対する相対的な位置が維持される第１のアンカー部を有する、請求項１に記載のロックボルト。
3. 　前記第１のアンカー部よりも前記他端側に取り付けられ、前記地山に対する相対的な位置が維持される定着機構をさらに備え、
   　前記第１の部材は、前記他端と前記第１のアンカー部との間に設けられた第２の伸長部をさらに有する、請求項２に記載のロックボルト。
4. 　前記スライド制御機構は、圧縮バネである、請求項２又は３に記載のロックボルト。
5. 　前記第１のアンカー部の断面積は、前記第１の伸長部の断面積より大きい、請求項２～４のいずれか一項に記載のロックボルト。
    

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