博士論文審査報告書

早稲田大学大学院 創造理工学研究科

博士論文審査報告書

論 文 題 目

シールド機の発進立坑および到達立坑の 切削壁体に用いる

H 形 FRP 構造部材の実用化に関する研究

A Practical Study of H-Shaped FRP Structural Member for Cuttable Wall in Starting and Arrival Shaft of Shield Tunnel

申 請 者

新井 崇裕

Takahiro ARAI

2017 年 10 月

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わ が 国 に お け る 社 会 基 盤 の 整 備 は 「 造 る 時 代 」 か ら ，「 維 持 管 理 の 時 代 」，

さ ら に は 「 社 会 基 盤 の 長 寿 命 化 」 や 「 生 産 性 の 向 上 の 時 代 」 へ と 変 化 し て き て い る ． 社 会 基 盤 の 整 備 に お け る ラ イ フ サ イ ク ル コ ス ト を 考 え た と き に ， 現 代 の ニ ー ズ に 応 え う る 材 料 と し て ， FRP （ Fiber Reinforced Plastics (Polymer)） が あ る ．FRP は ， 土 木 構 造 物 に 使 用 さ れ る 主 要 な 構 造 材 料 で あ る 鋼 材 や コ ン ク リ ー ト な ど に 比 べ る と 非 常 に 高 価 な 材 料 で は あ る が ，「 軽 量 」，

「 高 強 度 」，「 高 剛 性 」，「 高 耐 久 性 」，「 非 磁 性 」，「 切 削 性 」 な ど の 多 く の 利 点 が あ る ． こ れ ら の 利 点 を 活 か し て ， 工 費 の 縮 減 ， 工 期 の 短 縮 に よ る 社 会 基 盤 の 早 期 の 運 用 ， 施 工 性 の 改 善 に よ る 安 全 性 の 向 上 ， 環 境 へ の 負 荷 の 低 減 ， 他 の 材 料 で は 実 現 で き な い 機 能 性 の 付 与 な ど が 期 待 さ れ る 材 料 で あ る ．

本 研 究 は FRP の 土 木 構 造 物 へ の 適 用 と そ の 実 用 化 を 目 指 し た も の で あ る ． FRP は 様 々 な 可 能 性 を 秘 め た 材 料 で あ る が ，こ れ を 土 木 構 造 物 に 適 用 す る 場 合 ， そ の 特 長 を 最 大 限 に 活 か し た 適 用 先 を 選 定 す る こ と が 必 要 に な る ． 本 研 究 は ，FRP の 特 長 の 一 つ で あ る 切 削 性 に 着 目 し た も の で あ り ， そ の 適 用 先 と し て シ ー ル ド 工 法 に 用 い ら れ る 立 坑 の 壁 体 を 選 定 し て い る ． シ ー ル ド 工 法 で は ， ト ン ネ ル の 掘 削 機 械 で あ る シ ー ル ド 機 が 立 坑 か ら 発 進 し ， 立 坑 に 到 達 す る の が 一 般 的 で あ る が ， こ の 発 進 時 お よ び 到 達 時 の 立 坑 の 切 削 が 施 工 中 で も っ と も リ ス ク が 高 い 工 程 で あ る ．こ の リ ス ク を 少 し で も 減 ら す 目 的 で ，現 在 ， 中 大 口 径 の シ ー ル ド 工 法 で は ， 立 坑 の 壁 を 直 接 切 削 す る 工 法 が 多 く 用 い ら れ る よ う に な っ て き て い る ．

切 削 可 能 な 壁 体 に 用 い る 構 造 部 材 （ 以 下 ， 切 削 可 能 部 材 と 呼 ぶ ） に は ， 主 と し て 「 鉄 筋 コ ン ク リ ー ト や 鋼 材 と 同 等 の 構 造 性 能 を 有 す る こ と 」，「 シ ー ル ド 機 の カ ッ タ ー ヘ ッ ド で 切 削 可 能 な 材 料 で あ る こ と 」 と い う 2 つ の 性 能 が 要 求 さ れ る ． こ れ ら の 要 求 性 能 を 満 足 す る 既 存 の 切 削 可 能 部 材 の 技 術 に は ， NOMST 工 法 と SEW 工 法 と が あ る ．前 者 は シ ー ル ド 機 で 切 削 で き る コ ン ク リ ー ト 部 材 で あ り ，RC 部 材 に 用 い ら れ る 鉄 筋 の 代 わ り に 炭 素 繊 維 で 補 強 し た FRP（CF RP） ロ ッ ド を 用 い る も の で あ る ． ま た ， 後 者 は 硬 質 発 泡 ウ レ タ ン 樹 脂 を ガ ラ ス 長 繊 維 で 強 化 し た 板 状 の FRP を エ ポ キ シ 系 接 着 剤 で 圧 着 接 合 し て 形 成 し た 部 材 で あ る ．

本 研 究 は こ れ ら の 切 削 可 能 部 材 を 代 表 的 な 立 坑 の 壁 体 で あ る SMW（Soi l Mixing Wall）に 適 用 す る 場 合 を 想 定 し ，ま ず ，シ ー ル ド 機 の 外 径 が 6m 程 度 の ケ ー ス を 対 象 と し て 試 算 を 行 い ， つ ぎ に ， 近 年 ， 地 下 調 節 池 や 道 路 ト ン ネ ル な ど で 需 要 が 増 加 し て い る 外 径 12m 程 度 の 大 口 径 シ ー ル ド の ケ ー ス に つ い て も 同 様 の 試 算 を 行 っ て ， 必 要 と な る 要 求 性 能 を 検 討 し て い る ． そ れ ら の 結 果 ， と く に 大 口 径 シ ー ル ド の 場 合 に は ， 切 削 が 可 能 な 壁 体 は 強 度 で は な く 変 形 で 決 ま る 場 合 が 多 く ， 切 削 可 能 部 材 に 十 分 な 曲 げ 剛 性 を 付 与 す る 必 要 が あ る こ と を 指 摘 し て い る ．FRP を 高 剛 性 化 す る た め に は ， ヤ ン グ 係 数 の 大 き い 炭 素 繊 維 を 用 い る こ と が 有 効 で あ る が ，炭 素 繊 維 は 非 常 に 高 価 で あ る た め ， H 形 断 面 の FRP 部 材 の フ ラ ン ジ 外 面 側 に の み に 炭 素 繊 維 を 配 置 し ，内 面 側 の フ ラ ン ジ や ウ ェ ブ に は ガ ラ ス 繊 維 を 用 い る と い う 複 合 化 構 造 を 提 案 し て い る ．

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本 研 究 は ，H 形 F RP 構 造 部 材 の 力 学 的 特 性 や 施 工 性 な ど を 詳 細 に 検 討 し ， そ の 実 用 化 の た め に 必 要 と な る 設 計 上 お よ び 施 工 上 の 各 種 の デ ー タ を 具 体 的 に 提 示 し た も の で あ る ．

本 論 文 に 審 査 に あ た っ て は ，2017 年 4 月 27 日 に 審 査 員 予 定 者 5 名 に よ る 予 備 審 査 を 実 施 し ， 専 攻 内 縦 覧 に 付 し て よ い と の 判 定 を 受 け た ． そ の 後 3 週 間 に わ た り 教 室 内 の 縦 覧 を 行 っ た ．5 月 18 日 に 専 攻 内 の 受 理 申 請 が 認 め ら れ ， 6月 8日 に 開 催 さ れ た 創 造 理 工 学 研 究 科 の 運 営 委 員 会 で 本 論 文 が 受 理 さ れ た ． 公 聴 会 は 7 月 6 日 に 開 催 さ れ ，専 攻 科 主 任 を は じ め 審 査 委 員 5 名 ，関 係 者 10 数 名 が 出 席 し ， 研 究 内 容 の 説 明 お よ び 質 疑 応 答 が 行 わ れ た ． 申 請 者 は 質 疑 に 対 し て 明 確 か つ 適 切 な 回 答 を 行 い ， ま た ， ４ 科 目 の 学 識 確 認 の 結 果 か ら も 研 究 内 容 に 関 す る 深 い 知 識 と 関 連 分 野 に 対 す る 十 分 な 学 識 お よ び 能 力 を 有 し て い る こ と が 示 さ れ た ． な お ， 研 究 倫 理 の 受 講 は 完 了 し て お り ， 本 論 文 の 電 子 的 類 似 判 定 ツ ー ル に よ る 確 認 も 行 っ て ， 問 題 が な い こ と を 確 認 し て い る ．

本 論 文 は ， 以 下 に 示 す 8 章 よ り 構 成 さ れ て い る ．

第 1 章 は 序 論 で あ り ， 研 究 の 背 景 ， 研 究 の 目 的 と 内 容 ， お よ び 論 文 の 構 成 を 示 し た 章 で あ る ． ま ず ， 社 会 基 盤 整 備 の 時 代 的 な 変 遷 を 述 べ ， 高 い 耐 久 性 を も ち 軽 量 で か つ 高 強 度 の FRP は ，現 代 の ニ ー ズ に 応 え う る 材 料 と な る 可 能 性 が 高 い こ と ， ま た ，FRP の 製 造 に 関 す る 研 究 開 発 も 進 み ， こ れ ま で 大 き な 課 題 で あ っ た 価 格 も 改 善 さ れ る 方 向 に あ る こ と ，合 理 的 な 価 格 に な れ ば FRP は 主 要 な 構 造 材 料 の 一 つ と し て 加 速 度 的 に 普 及 す る 可 能 性 を 秘 め て い る こ と な ど を 述 べ て い る ． つ ぎ に ，FRP の 土 木 構 造 物 へ の 適 用 性 と そ の 実 用 化 を 検 討 し ， 研 究 対 象 と し て シ ー ル ド 工 法 に お け る 切 削 可 能 部 材 を 選 定 し た こ と ， 要 求 性 能 に 応 じ て 選 択 が 可 能 な よ う に ， 比 較 的 安 価 な ガ ラ ス 繊 維 を 用 い た FRP と 高 価 で は あ る が 機 能 に 優 れ た 炭 素 繊 維 と ガ ラ ス 繊 維 と を 複 合 し た FRP の 2 種 類 を 研 究 の 対 象 と し た こ と ， 本 研 究 の 知 見 が 将 来 的 に は FRP を 用 い た 歩 道 橋 な ど に も 有 効 に 活 用 で き る こ と な ど も 念 頭 に お き ， 要 求 性 能 の 設 定 や 部 材 断 面 の 形 状 を H 形 に し た こ と な ど を 述 べ ， こ の 章 の 最 後 に ，本 研 究 の フ ロ ー を 各 検 討 項 目 に 沿 っ て 示 し て い る ．

第 2 章 で は ，FRP 部 材 の 構 成 要 素 で あ る FRP 積 層 板 に つ い て ， 使 用 材 料 と 成 形 法 ， 成 形 用 中 間 材 料 の 最 適 化 ， お よ び 積 層 構 成 の 最 適 化 に 関 し て 検 討 を 行 い ， 本 研 究 で 対 象 と し た シ ー ル ド 工 法 に お け る 切 削 可 能 部 材 の 要 求 性 能 に 応 じ た 積 層 板 を 提 案 し て い る ．さ ら に ，提 案 し た FRP 積 層 材 の 支 圧 強 度 に 関 す る 検 証 を 行 っ て ， 材 料 の 設 計 に 必 要 と な る 諸 デ ー タ を 提 示 し て い る ．

第 3 章 は ， 材 料 の 設 計 値 を 設 定 す る う え で ， ま た ，FRP 部 材 の 安 全 性 に 関 す る 照 査 と 使 用 性 に 関 す る 照 査 を 行 う う え で ， 必 要 と な る ク リ ー プ 特 性 に つ い て 実 験 的 な 検 討 を 行 っ た 章 で あ る ． こ こ で は ，FRP 部 材 の 曲 げ ク リ ー プ 特 性 ， ボ ル ト の 軸 力 に よ る ク リ ー プ 特 性 ， ボ ル ト の 支 圧 力 に よ る 円 孔 周 り の ク リ ー プ 特 性 を 検 討 し て い る ． 結 果 と し て ， ク リ ー プ 破 壊 に 関 す る 安 全 性 ， お よ び ク リ ー プ の 予 測 式 を 提 示 し て い る が ， と く に ， ボ ル ト の 支 圧 力 に よ る 円

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孔 周 り の ク リ ー プ 特 性 に つ い て は 研 究 例 も 少 な く ，今 後 の FRP の 設 計 に 有 用 な デ ー タ が 得 ら れ た も の と し て 評 価 さ れ る ．

第 4 章 で は ， ガ ラ ス 繊 維 を 用 い た FRP 部 材 ， お よ び 高 剛 性 化 を 意 図 し て ， 炭 素 繊 維 と ガ ラ ス 繊 維 を 複 合 し た F RP 部 材 に つ い て 実 物 大 規 模 の 試 験 体 を 製 作 し ， 載 荷 実 験 を 行 っ て ， 部 材 の 曲 げ 強 度 ， 曲 げ 剛 性 ， お よ び せ ん 断 剛 性 に つ い て そ れ ぞ れ 検 討 し て い る ． 実 験 の 結 果 か ら ， 想 定 し た 応 答 値 の 算 定 方 法 が 有 効 で あ る こ と を 確 認 し て い る ．

第 5 章 は ， 実 物 大 規 模 の 接 合 部 を 有 す る 試 験 体 を 製 作 し ， 載 荷 実 験 を 行 っ て ， こ の 接 合 部 の 曲 げ 強 度 ， 曲 げ 剛 性 ， せ ん 断 強 度 お よ び せ ん 断 剛 性 を 検 討 し た 章 で あ る ． 載 荷 実 験 の 結 果 か ら ， 支 圧 接 合 に よ る 接 合 部 の 設 計 法 を 提 示 し ， そ れ が 有 効 で あ る こ と を 確 認 し て い る ．

第 6 章 で は ，ガ ラ ス 繊 維 を 用 い た FRP 部 材 ，お よ び 炭 素 繊 維 と ガ ラ ス 繊 維 を 複 合 し た FRP 部 材 の 各 々 に つ い て ，フ ラ ン ジ と ウ ェ ブ を 部 分 的 に 切 り 出 し た 試 験 体 を 用 い て ， 実 験 室 に お け る 小 型 の 切 削 実 験 を 行 っ て ，FRP の 切 削 性 を 検 討 し て い る ．こ の う ち ，ガ ラ ス 繊 維 を 用 い た FRP 部 材 に つ い て は ，小 規 模 で は あ る が ， 現 場 に お い て 切 削 の 実 証 実 験 も 実 施 し て い る ． こ れ ら の 結 果 か ら ，FRP 部 材 の 切 削 抵 抗 に 関 す る 有 用 な 知 見 を 得 る と と も に ， 騒 音 や 振 動 が 小 さ く ， 提 案 し た FRP が 良 好 な 切 削 性 を 有 す る こ と を 確 認 し て い る ．

第 7 章 は ，ガ ラ ス 繊 維 を 用 い た FRP 部 材 の 施 工 性 お よ び 完 成 時 に お け る 部 材 の 変 形 状 態 な ど を ，4 つ の 現 場 か ら 得 ら れ た デ ー タ を 用 い て 検 証 し た 章 で あ る ． こ こ で は ， 室 内 の 実 験 か ら 得 ら れ た デ ー タ と ， 現 場 で 得 ら れ た デ ー タ と を 比 較 し ， 施 工 条 件 が 異 な る 場 合 に つ い て の 考 察 を 行 っ て い る ． 一 方 ， 炭 素 繊 維 と ガ ラ ス 繊 維 を 複 合 し た FRP 部 材 に つ い て は ，1 現 場 に お い て 試 験 施 工 を 行 っ て ， 同 様 な 検 討 を 加 え て い る ．

第 8 章 は 結 論 を 述 べ た も の で あ り ， 本 研 究 で 得 ら れ た 知 見 を ま と め る と と も に ，FRP の 今 後 の 展 望 を 示 し て い る ．

以 上 述 べ た よ う に ， 本 研 究 は シ ー ル ド 機 の 発 進 ・ 到 達 立 坑 の 壁 体 を 対 象 に し て ， 優 れ た 構 造 性 能 と 切 削 性 能 を 有 す る H 形 の FRP 構 造 部 材 を 提 案 し た も の で あ る ． 本 論 文 で 得 ら れ た 知 見 は ， 今 後 の シ ー ル ド 工 法 の 発 展 の み な ら ず ，FRP 構 造 部 材 の 土 木 構 造 物 へ の 適 用 に 大 い に 寄 与 す る も の で あ り ， 博 士

（ 工 学 ） の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め ら れ る ．

2017 年 7 月 審 査 員

主 査 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 小 泉 淳 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 東 京 工 業 大 学 ） 清 宮 理 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ） （ 東 北 大 学 ） 秋 山 充 良 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ） （ 大 阪 大 学 ） 小 野 潔 早 稲 田 大 学 名 誉 教 授 工 学 博 士（ 早 稲 田 大 学 ） 依 田 照 彦