(57)【要約】【課題】  電磁波を用いてシールド掘進機の位置や姿勢の確認を行ない、到達予定位置まで正確に誘導することができる推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置を提供する。【解決手段】  所定位相の電磁波を発振する発振手段と、符号発生手段からの符号信号と上記電磁波とを合成し、合成電磁波を生ずる合成手段と、上記シールド掘進機に設けられ、上記合成電磁波に対応した磁場を形成して送出する送信手段と、上記シールド掘進機の到達予定位置に設けられ、上記磁場を検出して上記合成電磁波を受信する受信手段と、受信された合成電磁波を上記符号信号と同期した符号信号を用いて波形反転演算を行ない、上記所定位相の電磁波と同位相の電磁波を取り出す演算手段と、上記演算手段によって取り出された電磁波の強度に応じて上記シールド掘進機を上記到達予定位置に誘導する制御手段とを備えた構成。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド掘進機の後方に埋設管を結合した推進体を立抗から掘削しながら推進させ、上記埋設管によって形成される管路を敷設する推進シールド工法において、所定位相の電磁波を発振する発振手段と、符号発生手段からの符号信号と上記電磁波とを合成し、合成電磁波を生ずる合成手段と、上記シールド掘進機に設けられ、上記合成電磁波に対応した磁場を形成して送出する送信手段と、上記シールド掘進機の到達予定位置に設けられ、上記磁場を検出して上記合成電磁波を受信する受信手段と、受信された合成電磁波を上記符号信号と同期した符号信号を用いて波形反転演算を行ない、上記所定位相の電磁波と同位相の電磁波を取り出す演算手段と、上記演算手段によって取り出された電磁波の強度に応じて上記シールド掘進機を上記到達予定位置に誘導する制御手段とを備えた推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置。
【請求項２】
上記受信手段はほぼ９０度の角度でＶ字形に保持された２つのコイルを有することを特徴とする請求項１記載の推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置。
【請求項３】
上記受信手段はほぼ９０度の角度で十字形に保持された２つのコイルを有することを特徴とする請求項１記載の推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置。
【請求項４】
上記送信手段はシールド掘進機の外周に形成された溝内に巻回された送信コイルを有し、上記溝内の上記送信コイルの外周側に樹脂を充填して構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中に埋設管を敷設する場合、シールド掘進機によって地中を掘削しながら上記シールド掘進機に接続された複数の埋設管を推し進めて管路を形成する推進工法、あるいはシールド掘進機による掘削部にセグメントと呼ばれる壁面形成部材を掘削部内壁に連続的に装着して管路を形成するシールド工法が採用されることが多い。
【０００３】
図５は、従来の推進シールド工法で使用されているシールド掘進機及びこれに列状に接続された複数の埋設管から構成される推進体の一例及び推進体が直線状のトンネルを掘削する場合の一例を示す概略図で、（ａ）は推進体を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は同じく推進体を側方から見た状態を示す縦断面図であり、埋設管の図示は省略している。
【０００４】
地中に埋設管を敷設する場合、掘削開始位置に形成された立抗からシールド掘進機によって地中を掘削しながらシールド掘進機に接続した埋設管を立抗から押し出しながら埋設管を所定の推進計画線に沿って敷設する推進工法が採用されている。
【０００５】
この工法は周知のように、カッタヘッド１Ａに図示しないパイプによって例えば泥水を供給しながら掘削を進め、掘削した泥を泥水と共に別のパイプで排出しながら掘削を行なうと共に、シールド掘進機の位置及び推進方向を計測して推進計画線に沿うよう制御するものである。
【０００６】
シールド掘進機１は地中３を掘削するカッタヘッド１Ａ及びカッタヘッドの位置と推進方向を計測するための例えばＬＥＤからなる面光源を有するターゲット１Ｂと、シールド掘進機のカッタヘッド回転方向または埋設管の延長方向の傾斜角を計測する傾斜計１Ｃと、計測結果にもとづいてカッタヘッド１Ａの推進方向を制御するジャッキ１Ｄ、１Ｅとを備えた掘進機本体１Ｆから構成されている。なお、ターゲット１ＢはＬＥＤ等の発光体を縦横に複数配設して面光源を形成するようにされている。
【０００７】
シールド掘進機１の後方には立抗４から押し出された複数の埋設管２が接続され、シールド掘進機１と共に推進体を形成している。
立抗４内にはカメラまたはＣＣＤ等の撮像手段（以下、単にカメラという）５がセオドライトまたはトランシットに装着された形で設置され、複数の埋設管２の内部空間を介してシールド掘進機１のターゲット１Ｂからの光を撮像し、推進計画線に対応する基準位置からの変位量を計測し、このデータをコンピュータ６に伝送する。
【０００８】
コンピュータ６ではターゲット１Ｂとカメラ５との間の距離Ｌを加味してターゲット１Ｂの推進計画線からの変位量△ｘ、△ｙを演算する。この演算にもとづいて、自動ジャッキ制御装置７が掘進機本体１Ｆに制御信号を送り、ジャッキ１Ｄ、１Ｅの押し出し量を調整してカッタヘッド１Ａの推進方向を制御し推進計画線に沿うように制御する。
【０００９】
距離Ｌの計測方法としては、立抗４に設置される埋設管押し出し用の元押しジャッキ（図示せず）のロータリーエンコーダ等による押し出し長さの累計によって算出する場合や、ターゲットのモニターに写る寸法によって計算する場合、あるいは押し出した埋設管の長さの累計によって求める場合等がある。
【００１０】
図６は、シールド掘進機及びこれに接続された複数の埋設管から構成される推進体によって曲線トンネルの推進計画線に沿ったシールド掘削を行なう状況を示した概略図で、（ａ）は推進体を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は同じく推進体を側方から見た状態を示す縦断面図で、いずれの図もシールド掘進機に接続された複数の埋設管の図示を省略している。
【００１１】
この図の場合には曲線トンネルの推進計画線に沿って掘削推進するシールド掘進機１のターゲット１Ｂの推進計画線からの水平方向のずれ△ｘと垂直方向のずれ△ｙを演算するデータを求めるために、複数の埋設管２内に所定の間隔で複数の中間計測機８Ａ〜８Ｄを配設している。
【００１２】
即ち、シールド掘進機１に設けられたターゲット１Ｂと、各中間計測機８Ａ〜８Ｄと、立抗４内に設けられたカメラ５とから得られるデータにもとづいて△ｘ、△ｙを演算しようとするものである。中間計測機８Ａ〜８Ｄの具体的構成は後述することとし、ここでは中間計測機に搭載された計測手段についてのみ説明する。また、中間計測機８Ａ〜８Ｄは、いずれも同じ構成とされているため、その中の一つ８Ａについてのみ説明する。
なお、中間計測機の相互間隔は後述するように所定長さの連結杆によって予め設定した所定の長さに保持されている。
【００１３】
中間計測機８Ａは適宜の大きさを有する平板状の台車８１を有し、その上に以下に述べる各装置が搭載されている。即ち、前方に向けて発光するＬＥＤ等からなる面光源を有する前方用ターゲット８２と、前方に向けて配設され、前方に位置するターゲットの発光を撮像する前方用カメラ８３とを一体化して前方用装置８４を構成し、台車８１の前方寄りの位置に設置している。
【００１４】
また、後方に向けて発光するＬＥＤ等からなる面光源を有する後方用ターゲット８５と、後方に向けて配設され、後方に位置するターゲットの発光を撮像する後方用カメラ８６とを一体化して後方用装置８７を構成し、台車８１の後方寄りの位置に設置している。
【００１５】
前方用装置８４と後方用装置８７とは電気的には接続されているが両者間には十分なスペースが設けられ、そのスペースに傾斜計８８が設置されている。この傾斜計は台車８１の水平方向または埋設管の延長方向の傾斜角を計測し得るようにされている。上記スペースにはまた、図示していないが、データ伝送ユニットやポンプなども設置されている。
【００１６】
計測に際しては、立抗４内のカメラ５によって最後部の中間計測機８Ｄの後方用ターゲット８５の発光を撮像して後方用ターゲット８５の変位データを採取すると共に、中間計測機８Ｄの後方用カメラ８６によって立抗４内のターゲットの発光を撮像し、その相対的変位データを採取する。また、傾斜計８８による角度データも採取する。
【００１７】
次いで、最後部の中間計測機８Ｄの前方用カメラ８３によって、その前方に位置する中間計測機８Ｃの後方用ターゲット８５の発光を撮像して変位データを採取し、傾斜計８８の角度データを採取すると共に、中間計測機８Ｃの前方用カメラ８３によって更にその前方に位置する中間計測機８Ｂの後方用ターゲット８５の発光を撮像して変位データを採取する。
【００１８】
このような計測を各中間計測機８Ａ〜８Ｄ間及びシールド掘進機１との間で繰り返し、それぞれから採取されたデータをコンピュータ６に伝送して△ｘ及び△ｙを演算し、シールド掘進機１の掘進方向を修正するようにしている。
この結果、シールド掘進機１及び複数の埋設管２からなる推進体は曲線トンネルの推進計画線に沿って推進することになる。
【００１９】
図７は、中間計測機の構成及び埋設管内での移動状況を示す概略図で、（ａ）は埋設管内での配設状況を示す側面図、（ｂ）は同じく平面図である。また、図８は、埋設管内での配設状況を埋設管の延長方向から見た状況を示す正面図である。
【００２０】
埋設管２内では図８に示すように、パイプ支持機構１０が底部に設けられ、送泥管１１と排泥管１２とが支承されると共に、車輪１３によって埋設管２の延長方向に移動可能に構成されている。パイプ支持機構１０の上部には床材１４が支承され、その上面に３個のローラ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃが回転可能に支持されている。
【００２１】
ローラ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ上には上述した中間計測機８Ａを構成する台車８１が載置され、埋設管２の延長方向に移動し得るようにされている。なお、台車８１の移動に際してその両側部が埋設管２の内壁と接触して移動に支障を来たす場合が考えられるため、台車の両側には前後に１個ずつ側方ローラ１６Ａ、１６Ｂが設けられ、スムースな移動ができるようにされている。なお、上述したローラ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃと側方ローラ１６Ａ、１６Ｂは省略される場合もある。
【００２２】
また、台車８１には２個の回転台１７が前後に離隔して設けられ、それぞれに上述した前方用装置８４及び後方用装置８７が載置されて回転可能とされている。
図中、８９はデータ伝送ユニット、９０は台車上の各装置を覆うカバーである。（例えば特許文献１参照）。
【００２３】
図９は、従来のシールド工法によって曲線トンネルの推進計画線に沿ったシールド掘削を行なう状況を示した概略図で、（ａ）は掘削の状況を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は同じく側方から見た状態を示す縦断面図である。
【００２４】
この図に示すように、シールド工法は、シールド掘進機１に反射プリズムからなるターゲット１Ｈを前後の２個所に間隔を介して設けると共に、立抗４内にトランシットを含むトータルステーション５０を架台５１上に設置する形で設け、トータルステーション５０から赤外線をターゲット１Ｈに向けて照射することにより、シールド掘進機１との距離及び推進角度を計測し、これらをコンピュータ６に入力して推進計画線に対するずれ△ｘ、△ｙを演算し、自動ジャッキ制御装置７によってジャッキ１Ｄ、１Ｅの押し出し量を調整することによりシールド掘進機１を推進計画線に沿って導くようにしている。
【００２５】
シールド掘進機１が前進すると、掘削された部分の内面にセグメントと呼ばれる幅約６０cm〜１００cmの円弧状に湾曲した壁面板５２を複数枚貼り付けて全体として短いパイプ状の空間を形成する。パイプ状の空間は円周方向に３枚以上のセグメントを貼り付けて形成されるように各セグメントの円周方向の寸法が設定されている。
【００２６】
１つのパイプ状の空間が形成されると、その空間の立抗側に隣接して掘削部分の内面に更に別のセグメント５２を複数枚貼り付けて次の空間を形成しパイプ状空間を延長する作業をシールド掘進機１の前進に合わせて繰り返すことによりシールド掘進機１の後方に管路を形成することができる。
【００２７】
シールド掘進機１が更に前進して立抗４内のトータルステーション５０とシールド掘進機１との間隔が所定値を超えると、その中間部に追加のトータルステーション５０Ｂを架台５１Ｂと共に設置し、トータルステーション５０とシールド掘進機１との間及びトータルステーション５０と５０Ｂとの間で上述した方法による計測を行なうことによりシールド掘進機１を推進計画線に沿って推進させる。
【００２８】
シールド掘進機１が更に前進すると、追加したトータルステーション５０Ｂとシールド掘進機１との中間部に更にトータルステーション５０Ｃを追加設置し、以後、シールド掘進機１の前進に応じて同様に対応する。トータルステーション５０等からの赤外線照射を含む計測は自動的に行なわれるように構成される場合もあるが、手動的に行なわれる場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２００７−１１３３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
従来の推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置は上記のように構成され、距離の計測とシールド掘進機の位置及び姿勢を光学的手段によって確認し制御していたが、距離が大きくなると計測誤差が大きくなるため距離や位置及び姿勢の演算誤差が大きくなるという問題点があった。
【００３１】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、電磁波を用いてシールド掘進機の位置や姿勢の確認を行ない、到達予定位置まで正確に誘導することができる推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
この発明に係る推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置は、シールド掘進機の後方に埋設管を結合した推進体を立抗から掘削しながら推進させ、上記埋設管によって形成される管路を敷設する推進シールド工法において、所定位相の電磁波を発振する発振手段と、符号発生手段からの符号信号と上記電磁波とを合成し、合成電磁波を生ずる合成手段と、上記シールド掘進機に設けられ、上記合成電磁波に対応した磁場を形成して送出する送信手段と、上記シールド掘進機の到達予定位置に設けられ、上記磁場を検出して上記合成電磁波を受信する受信手段と、受信された合成電磁波を上記符号信号と同期した符号信号を用いて波形反転演算を行ない、上記所定位相の電磁波と同位相の電磁波を取り出す演算手段と、上記演算手段によって取り出された電磁波の強度に応じて上記シールド掘進機を上記到達予定位置に誘導する制御手段とを備えたものである。
【００３３】
この発明に係る推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置は、また、上記受信手段がほぼ９０度の角度でＶ字形に保持された２つのコイルを有するものである。
【００３４】
この発明に係る推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置は、また、上記受信手段がほぼ９０度の角度で十字形に保持された２つのコイルを有するものである。
【００３５】
この発明に係る推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置は、また、上記送信手段がシールド掘進機の外周に形成された溝内に巻回された送信コイルを有し、上記溝内の上記送信コイルの外周側に樹脂を充填して構成されたものである。
【発明の効果】
【００３６】
この発明に係る推進シールド工法におけるシールド掘進機の掘進方向制御装置は上記のように構成され、発振手段から発振される所定位相の電磁波と、符号発生手段からの符号信号とを合成して合成電磁波を形成し、この合成電磁波に対応した磁場をシールド掘進機から送出すると共に、到達予定位置に設けられた受信手段によって上記磁場を検出して上記合成電磁波を受信し、上記符号信号と同期した符号信号を用いて波形反転演算を行うことにより、上記所定位相の電磁波と同位相の電磁波を取り出し、この取り出された電磁波の強度に応じてシールド掘進機を誘導するようにしているため、シールド掘進機を精度よく到達予定位置に誘導することができる。
【００３７】
また、送信コイルから出力された磁場によって周辺の金属等に誘導される誘導電流に起因する位相の異なる二次磁場による悪影響を小さくすることができ、他のシステムに与えるあるいは他のシステムから受ける磁場による悪影響も小さくすることができ、秘匿性に優れた制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態１によるシールド掘進機の誘導方式を示す概略図で、（ａ）は電磁波による誘導方式の原理を説明するための説明図、（ｂ）は地中での誘導方式を説明する概略断面図である。
【図２】実施の形態１における送信コイルの装着例を示す概略図である。
【図３】実施の形態１による推進シールド工法の全体構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態１において、送信側から送出される電磁波の波形及び受信側において取り出される電磁波の波形を示す波形図である。
【図５】従来の推進工法における推進体の構成の一例及び直線状のトンネルを掘削する場合の状況を説明する概略図で、（ａ）は推進体を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は同じく推進体を側方から見た状態を示す縦断面図である。
【図６】従来の推進工法によって曲線トンネルを掘削する場合の状況を説明する概略図で、（ａ）は推進体を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は同じく推進体を側方から見た状態を示す縦断面図である。
【図７】従来の推進工法における中間計測機の構成の一例及び埋設管内での移動状況を示す概略図で、（ａ）は埋設管内での配設状況を示す側面図、（ｂ）は同じく平面図である。
【図８】従来の推進工法における埋設管内での中間計測機の配設状況を埋設管の延長方向から見た状況を示す正面図である。
【図９】従来のシールド工法による掘削状況を示す概略図で、（ａ）は上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は側方から見た状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による電磁波を用いたシールド掘進機の誘導方式を示す概略図で、（ａ）は電磁波による誘導方式の原理を説明するための説明図、（ｂ）は地中での誘導方式を説明する概略断面図である。
【００４０】
推進シールド工法において、シールド掘進機を所定の推進計画線に沿って掘削しながら推進させ、到達予定位置に正確に到達させるのは容易ではない。このため、実施の形態１は電磁波の磁力線による吸引原理を利用してシールド掘進機を到達予定位置に誘導しようとするものである。
【００４１】
先ず、この方式の原理について説明する。図１（ａ）に示すように、シールド掘進機１に送信コイル２０を巻回し、この送信コイル２０に図１（ｂ）に示す送信機１９から電流を供給すると、シールド掘進機１が鉄心の作用をして強力な磁場が形成され電磁波が発生される。
シールド掘進機１に巻回する送信コイル２０は、例えば図２に示すように、カッタヘッド１Ａの外周に深さ10mmから30mm程度の溝１Ｇを１個または複数個形成し、その溝１Ｇ内に例えばエナメル線からなる送信コイル２０を数１０回、巻回し、送信コイル２０の外周側にエポキシ樹脂１Ｈを充填して溝１Ｇを塞ぐようにしている。
【００４２】
一方、図１（ｂ）に示すように、シールド掘進機１の到達予定位置に形成された到達立抗２２に受信コイル２１を設けると、この受信コイル２１が送信コイル２０から発せられた電磁波の磁場センサーとして機能し、磁力線に対応した出力を得ることができるため、磁力線の方向にシールド掘進機１を誘導することにより到達予定位置に到達させることができる。
【００４３】
図３は、シールド掘進機を誘導するためのシールド工法における実施の形態１の全体構成を示すブロック図、図４は、実施の形態１において送信側から送出される電磁波の波形及び受信側において取り出される電磁波の波形を示すものである。
【００４４】
シールド工法では、シールド掘進機の送信コイル２０から送出される磁場を地球磁場（直流磁場）と区別するために送信側では交流磁場が用いられ、図４（ａ）にＷ1で示すような一定波長（一定周波数）のサイン(sin)波が図３に示す信号発振器３１から出力される。一方、図３に示す符号発生装置（コンピュータ）３２から図４（ｂ）にＷ2で示すような符号信号が発生される。
【００４５】
Sin波Ｗ1と符号信号Ｗ2とは図３のスイッチ回路（波形反転回路）３３で合成され、図４（ｃ）にＷ3で示す合成電磁波を形成し、図３に示す増幅器３８で増幅した後、シールド掘進機１の発信コイル２０に供給される。発信コイル２０からは合成電磁波Ｗ3に対応する磁場が送出される。
【００４６】
到達予定位置の到達立抗２２に設けられた図３の受信コイル２１によって図４（ｄ）に示す上記合成電磁波Ｗ3に対応した磁場を受信し、増幅器３４によって増幅した後、図３のＡＤ変換器３５によってアナログ信号をデジタル信号に変換する。
変換されたデジタル信号は図３の波形反転演算装置（コンピュータ）３６に入力され、ここで符号発生装置３２Ｂから与えられる図４（ｅ）に示す符号信号Ｗ5を用いて波形反転演算を行ない、図４（ｆ）に示すように送信側の信号発振器３１から出力されたsin波Ｗ1と同位相のsin波Ｗ6を分離する。なお、符号発生装置３２と３２ＢとはケーブルまたはGPSで図示のように接続され、符号信号Ｗ2とＷ5とが同位相となるように設定されている。
【００４７】
波形反転演算装置３６で分離されたsin波Ｗ6は表示装置３７に表示される一方、図示しない制御装置に入力され、その強度に対応してシールド掘進機１の到達予定位置への誘導が行なわれる。
【００４８】
具体的には、送信コイル２０と受信コイル２１とが共に推進計画線上にあれば、受信コイル２１の２つのコイルの強度（出力）は同じ大きさとなるが、シールド掘進機１の送信コイル２０が推進計画線上にない場合は２つのコイルの出力が異なる。出力の異なり方はシールド掘進機１の推進計画線に対するずれ方向によって一方のコイルの出力が他方のコイルの出力より小さくなるため、２つのコイルの出力の違いに応じて自動ジャッキ制御装置７（図５）を動作させ、上述のように、シールド掘進機１の推進方向を制御することにより到達予定位置に容易に誘導することができる。
【００４９】
なお、受信コイル２１は図１に示すようなＶ字形の配置のみでなく、２つのコイルをコイル相互の角度がほぼ90°となるように十字形に配置しても同様な効果を期待することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  シールド掘進機、
２  埋設管
３  地面
４  立抗
５  カメラ
６  コンピュータ
７  自動ジャッキ制御装置
８Ａ〜８Ｄ  中間計測機
１０  パイプ支持機構
１１  送泥管
１２  排泥管
１３  車輪
１４  床材
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ  ローラ
１６Ａ、１６Ｂ  側方ローラ
１７  回転台
１８  連結杆
１９  送信機
２０  送信コイル
２１  受信コイル
２２  到達立抗
２３  坑口
２４  パイプ
２５  受信機
２６  コンピュータ
３１  信号発振器
３２  符号発生装置（コンピュータ）
３２Ｂ  符号発生装置
３３  スイッチ回路（波形反転回路）
３４  増幅器
３５  ＡＤ変換器
３６  波形反転演算装置（コンピュータ）
３７  表示装置
３８  増幅器
５０、５０Ｂ、５０Ｃ  トータルステーション
５１、５１Ｂ、５１Ｃ  架台
５２  セグメント。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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