Rock bolting effect of standard support patterns of Japan Road Association, Japan Highway Public Corporation and Japanese National Railways in various ground conditions are analyzed quantitatively based on the interaction model of rock bolt and rock mass. Shortcrete plays an important effect in the reinforcing system and it works together with rock bolt. Rock bolting effect is improved by thicker shotcrete application in poor ground conditions but its effect is not significant in good ground condition. Rock bolt reinforcement is influenced by the shotcrete and the ground competency factor. Comparisons of the results show that the different standard support patterns do not vary significantly except some differences in rock bolt density parameters and its length. Support performances of all the standard support patterns show the agreement with design recommendation.

1. AA QQuuaannttiittaattiivvee VVeerriiffiiccaattiioonn ooff SSoommee
SSttaannddaarrdd SSuuppppoorrtt PPaatttteerrnnss iinn
JJaappaanneessee TTuunnnneelliinngg DDeessiiggnn
SSttaannddaarrddss
22000055
DDeeppaarrttmmeenntt ooff CCiivviill aanndd SSttrruuccttuurraall EEnnggiinneeeerriinngg
KKyyuusshhuu UUnniivveerrssiittyy,, FFuukkuuookkaa,, JJaappaann
九州大学大学院工学府
建設システム工学専攻
SSOONNYYOOKK DDEESSHH RRAAJJ

2. BBBBaaaacccckkkkggggrrrroooouuuunnnndddd aaaannnndddd PPPPuuuurrrrppppoooosssseeee
BBaacckkggrroouunndd
TTuunnnneelliinngg ddeessiiggnn iiss ssttiillll eemmppiirriiccaall oorr sseemmii-eemmppiirriiccaall.
RReeiinnffoorrcciinngg eeffffeecctt ooff ssttaannddaarrdd ppaatttteerrnn iiss nnoott cclleeaarr.
QQuuaannttiittaattiivvee aapppprrooaacchh ffoorr ddeessiiggnn mmooddiiffiiccaattiioonn
PPuurrppoossee
QQuuaannttiittaattiivvee vveerriiffiiccaattiioonn ooff ssuuppppoorrttiinngg eeffffeecctt::
((1)) JJaappaann RRooaadd AAssssoocciiaattiioonn
((22)) JJaappaann HHiigghhwwaayy PPuubblliicc CCoorrppoorraattiioonn
((33)) JJaappaanneessee NNaattiioonnaall RRaaiillwwaayyss.

3. TThheeoorreettiiccaall bbaassiiss ooff tthhiiss ssttuuddyy
 QQuuaannttiittaattiivvee aannaallyyssiiss ooff tthhee ssttaannddaarrdd ssuuppppoorrtt
ppaatttteerrnnss
SSttuuddyy ppaarraammeetteerrss aanndd aassssuummppttiioonnss
RReessuullttss
 CCoonncclluussiioonnss
 FFuuttuurree ssttuuddyy
CCCCoooonnnntttteeeennnnttttssss

4. TTTThhhheeeeoooorrrreeeettttiiiiccccaaaallll bbbbaaaassssiiiissss ooooffff tttthhhheeee ssssttttuuuuddddyyyy
 EEllaassttiicc-ppllaassttiicc aannaallyyssiiss
((MMoohhrr-CCoouulloommbb tthheeoorryy))
 SSttrraaiinn ssoofftteenn mmooddeell,,
ddiillaattiioonn
 IInntteerraaccttiioonn bbeehhaavviioorr ooff rroocckk
mmaassss aanndd rroocckk bboolltt::
((CCoouupplliinngg aanndd
ddeeccoouupplliinngg
bbeehhaavviioorr))
w
o
symmetric
O ra Rf Re
Po
Lz
LT
LT
r L1
Plastic flow
zone
Soften zone
Elastic zone
r
g r o u n d
d i s t r i b u t i o n o f a x i a l f o r c e
t u n n e l P m a x
o p e n i n g
r o c k b o l t
Neutral point

5. Ranges of RRRaaannngggeeesss ooofff ddddeeeeffffoooorrrrmmmmaaaattttiiiioooonnnn mmmmoooodddduuuulllluuuussss
Japan J apa n Ro Road ad As s o c ia Association
t io n
classes mass Japan J apa nHighway Highway Pu blic Co rpo P.
ra t io n
Corp.
Rock Japanese J apa n e s e National Na t io n a l Ra ilways
Railways
0 1000 2000
3000 Deformation modulus (MPa) 500 1000 1500 2000 2500 3000
B
CI
CII
DI
DII
B
CI
CII
DI
DII
III N
II N
I N
I S
I L
Ro c k ma s s c la s s
De f o rma t io n mo du lu s Em (GPa )

6. Study parameters SSStttuuudddyyy pppaaarrraaammmeeettteeerrrsss aaaannnndddd ccccaaaasssseeee aaaarrrrrrrraaaannnnggggeeeemmmmeeeennnnttttssss
β= 0 ～ 1.0
Em = deformation modulus of
rock mass
σc = axial strength
Srp = Competency factor
(=σc/γH)
γ = density of rock
H = overburden depth
β = rock bolt density parameter
(1 = 50×50 cm)
Em=200σc
Srp = 0.1 ～
2.0
2 / b a z t b = p r l r L L
ra=tunnel radius, rb=radius of rock bolt , λ is friction
coefficient Lz and Lt are rock bolt spacing.

7. Study Parameters o SSStttuuudddyyy PPPaaarrraaammmeeettteeerrrsss oooffff JJJJaaaappppaaaannnn RRRRooooaaaadddd AAAAssssssssoooocccciiiiaaaattttiiiioooonnnn
(a) Tunnel radius = 6.25 m ( 4.25 ~ 6.25 m)
Support
pattern no
t'c
(m)
L β z L (m) t Support L (m) (m)
class
Rock
class
B B 3 1.5 2 0.094 0.05 JA1-Pt1
C 3 1.5 1.5 0.128 0.1 JA1-Pt2 I CI
C 3 1.5 1.2 0.16 0.1 JA1-Pt3 II ーa CII
C 3 1.5 1.2 0.16 0.15 JA1-Pt4 II-b
D 3 1.2 1 0.236 0.21 JA1-Pt5 I-a DI
D 4 1.2 1 0.21 JA1-Pt6 I-b
D 4 1.2 <1.0 >0.236 >0.28 JA1-Pt7 II DII

8. Study Parameters SSStttuuudddyyy PPPaaarrraaammmeeettteeerrrsss ooooffff JJJJaaaappppaaaannnn HHHHiiiigggghhhhwwwwaaaayyyy PPPP.... CCCCoooorrrrpppp....
Tunnel radius = 5.1 m
Support
pattern no t'c β (m)
Lz
(m)
Lt Support L (m) (m)
class
Rock
class
B B-a 3 1.5 2 0.094 0.05 JH-Pt1
C 3 1.5 1.5 0.128 0.1 JH-Pt2 I CI
C 3 1.5 1.2 0.16 0.1 JH-Pt3 II ーa CII
C 3 1.2 1.2 0.2 0.15 JH-Pt4 II-b
D 3 1.2 1 0.24 0.21 JH-Pt5 I-a DI
D 4 1.2 1 0.24 0.21 JH-Pt6 I-b
D 4 1.2 <1.0 >0.24 >0.28 JH-Pt7 II DII

9. Study Parameters SSStttuuudddyyy PPPaaarrraaammmeeettteeerrrsss ooooffff JJJJaaaappppaaaannnn NNNNaaaattttiiiioooonnnnaaaallll RRRRaaaaiiiillllwwwwaaaayyyyssss
Support
pattern no t'c L β (m) z L (m) t Support L (m) (m)
class
III 2 3.9 1.5 0.052 0.1 JR1-Pt1 N
II 3 3 1.5 0.068 0.1 JR1-Pt2 N
I 3 1.9 1 0.163 0.21 JR1-Pt3 N
I 3 1.2 1 0.258 0.25 JR1-Pt4 S
I 4 1.2 1 0.258 0.25 JR1-Pt5 S
I 3 2.3 1 0.134 0.28 JR1-Pt6 L
III 2 3 1.5 0.068 0.1 JR2-Pt1 N
II 3 2.3 1.5 0.089 0.1 JR2-Pt2 N
I 3 1.6 1 0.193 0.21 JR2-Pt3 N
I 3 1.1 1 0.281 0.25 JR2-Pt4 S
I 4 1.1 1 0.281 0.25 JR2-Pt5 S
I 3 1.9 1 0.163 0.28 JR2-Pt6 L

10. IIIInnnnfffflllluuuueeeennnncccceeee ooooffff sssshhhhoooottttccccrrrreeeetttteeee tttthhhhiiiicccckkkknnnneeeessssssss
JA1-Pt1: t'c = 0.05 m
and L=3.0 m
JA1-Pt2: t'c = 0.1 m
and L=3.0 m
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
De s ns it y o f ro c k bo lt β
St ra in (Ura/ ra )
Srp=0.1
Srp=0.1~1.2
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
De s n s it y o f ro c k bo lt (β )
St ra in (Ura/ ra )
Srp=0.1
Srp=0.1~1.2

11. IIIInnnnfffflllluuuueeeennnncccceeee ooooffff RRRRoooocccckkkk bbbboooolllltttt lllleeeennnnggggtttthhhh
JA1-Pt5: rraa ==66..2255 mm,
tt''cc == 00..2211 mm and
LL==33..00 mm
Em=0~600 MPa
JA1-Pt6: rraa ==66..2255 mm,,
tt''cc == 00..2211 mm and
LL==44..00 mm
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
De n s it y o f ro c k bo lt β
St ra in Ura/ ra
Srp=0.1
Srp=0.1~1.2
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
De n s it y o f ro c k bo lt β
St ra in Ura/ ra
00..2244
Srp=0.1
Srp=0.1~1.2

12. Comparison of tunnel CCCooommmpppaaarrriiisssooonnn ooofff tttuuunnnnnneeelll wwwwaaaallllllll ddddiiiissssppppllllaaaacccceeeemmmmeeeennnntttt
350
300
250
200
150
100
50
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 .1 1.2
Comp e t e nc y fa c t or (Srp )
Dis p la c e me nt (c m)
St an da rd Su ppo rt (J A1 - Pt7)
No s uppo rt
50
45
Dis pa lc e me nt (c m) St an da rd Su ppo rt (J A1 - Pt7)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Sh o rt c re t e o n ly
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 .1 1 .2
Comp e t e nc y fa c to r (Srp)
DDiissppllaacceemmeenntt
rreessttrraaiinneedd bbyy
rroocckk bboolltt

13. IIIInnnnfffflllluuuueeeennnncccceeee ooooffff RRRRoooocccckkkk bbbboooolllltttt lllleeeennnnggggtttthhhh
JH-Pt5: rraa ==55..11 mm,
tt''cc == 00..2211 mm and
LL==33..00 mm
JH-Pt6: rraa ==55..11 mm,
tt''cc == 00..2211 mm and
LL==44..00 mm
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
Srp=0.1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
De ns ity o f roc k bo lt β
St ra in (Ura/ ra )
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
De ns ity of ro c k bo lt β
St ra in (Ura/ ra )
Srp=0.2
Srp=0.1
Srp=0.2
Srp=0.1~1.2
Srp=0.1~1.2

14. Comparison of CCCooommmpppaaarrriiisssooonnn ooofff DDDDiiiiffffffffeeeerrrreeeennnntttt SSSSttttaaaannnnddddaaaarrrrdddd SSSSuuuuppppppppoooorrrrttttssss
Em
(MPa)
t'c
(m)
Length of rock bolt
2 m 3 m 4 m 6 m
600 ~ 3000
0.05
JA1-Pt1 (B)
600 ~ 1200 JH-Pt1 (B)
600 ~ 3000
0.1
JA2-Pt1 (B)
300 ~ 1200
80 ~ 1200
JR1-Pt1 (IIIN)
JR2-Pt1 (IIIN)
JA1-Pt2 (CI)
JA1-Pt3 (CII)
80 ~ 600
JH-Pt2 (CI)
JH-Pt3 (CII)
JR1-Pt2 (IIN)
JR2-Pt2 (IIN)
300 ~ 1200
0.15
JA2-Pt2 (CI)
80 ~ 1200 JA1-Pt4 (CII)
80 ~ 600 JH-Pt4 (CII)

15. Continued…..
20 ~ 600
0.21
JA1-Pt5 (DI) JA1-Pt6 (DI)
80 ~ 300 JH-Pt5 (DI)
80 ~ 1200 JA2-Pt3 (CII)
80 ~ 300 JR1-Pt3 (IN)
JR2-Pt3 (IN)
JH-Pt6 (DI)
80 ~ 300 0.25 JR1-Pt4 (IS)
JR2-Pt4 (IS)
JR1-Pt5 (IS)
JR2-Pt5 (IS)
0~ 600
0.28
JA2-Pt4 (DI)
0~ 300 JR1-Pt6 (IL)
JR2-Pt6 (IL)
JA1-Pt7 (DII)
JH-Pt7 (DII)
0~ 600 0.38 JA2-Pt5 (DII)

16. Comparison CCCooommmpppaaarrriiisssooonnn ooooffff ssssuuuuppppppppoooorrrrttttiiiinnnngggg eeeeffffffffeeeeccccttttssss
JA1-Pt2 & JH-Pt2, β=0.13
JA1-Pt3 & JH-Pt3, β=0.16
JR1-Pt2, β=0.07
JR2-Pt2, β=0.09
Srp=0.6
Srp=0.4
Srp=1.2 Srp=0.8

17. Comparison CCCooommmpppaaarrriiisssooonnn ooooffff ssssuuuuppppppppoooorrrrttttiiiinnnngggg eeeeffffffffeeeeccccttttssss
JA1-Pt5 &JH-Pt5, β=0.24
JR1-Pt3, β=0.16
JR2-Pt3, β=0.19
Srp=0.4
Srp=0.6
Srp=0.8 Srp=1.2

18. CCCCoooonnnncccclllluuuussssiiiioooonnnn ((((1111))))
 Shortcrete ppllaayyss aann iimmppoorrttaanntt eeffffeecctt iinn tthhee
rreeiinnffoorrcciinngg ssyysstteemm..
− IImmpprroovveemmeenntt ooff rroocckk bboollttiinngg eeffffeecctt ((SSrrpp<<00..44))
− NNoo ssiiggnniiffiiccaanntt iimmpprroovveemmeenntt ((SSrrpp>>00..88))
RRoocckk bboolltt lleennggtthh::
− uupp ttoo 66 mm,, iinnccrreeaasseess tthhee rroocckk bboollttiinngg eeffffeecctt iinn
wweeaakk rroocckk mmaasssseess wwhheenn rraa==66..2255~~77 mm..
− nnoo ddiiffffeerreennccee iiss sseeeenn wwhheenn tthhee rroocckk bboolltt iiss
lloonnggeerr tthhaann 33 mm ffoorr mmeeddiiuumm ssiizzee ttuunnnneell wwhheenn
rraa==55..11 mm..

19. CCCCoooonnnncccclllluuuussssiiiioooonnnn ((((2222))))
 Supporting patterns ooff JJHH iiss aallmmoosstt ssiimmiillaarr ttoo tthhaatt
ooff JJRRAA..
IInn aa ggoooodd ggrroouunndd ccoonnddiittiioonn,, rroocckk bboolltt ddeennssiittyy ooff
JJRR iiss ssmmaalllleerr tthhaann tthhaatt ooff JJHH//JJRRAA.. HHoowweevveerr,, tthheerree
iiss nnoo ssiiggnniiffiiccaanntt ddiiffffeerreennccee ooff tthhee rroocckk bboollttiinngg
eeffffeecctt..
IInn aa wweeaakk ggrroouunndd ccoonnddiittiioonn,, rroocckk bboolltt ddeennssiittyy ooff
JJRR iiss llaarrggeerr tthhaann tthhaatt ooff JJHH//JJRRAA.. RReeiinnffoorrcciinngg
eeffffeecctt ooff tthhee ppaatttteerrnn ooff JJRR iiss aa lliittttllee bbeetttteerr tthhaann
tthhaatt ooff JJHH..

20. FFFFuuuuttttuuuurrrreeee ssssttttuuuuddddyyyy
• Comprehensive verification with measured in-situ
data
• Consider gravity effect and try to include
influence of in-situ stress ratio.
• Study on shallow depth tunnel

21. TTHHAANNKK YYOOUU
FFOORR
YYOOUURR AATTTTEENNTTIIOONN