(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド本体の前部に複数のカッタ装置を配置して長方形断面のトンネルを掘削する長方形断面シールド掘進機であって、
シールド本体前部の両側に、頂部がルーロの三角形の頂点に位置する側部カッタヘッドを掘進方向に沿う自転軸周りに自転駆動されるとともに、自転軸から所定距離離れた公転軸心周りに、自転軸心周りの回転方向および回転速度に対して逆方向でかつ３倍の速度で公転駆動されることにより、略正方形断面を掘削するルーロ定理式カッタ装置を設け、
前記側部カッタヘッドの間の中央胴部の前部に、中央カッタヘッドが所定範囲で揺動される揺動式中央カッタ装置を設け、
前記中央カッタヘッドに、センター部材から半径方向に延び先端部が中央胴部の上辺および下辺に沿って揺動される長スポークフレームと、センター部材から半径方向に延び前記側部カッタヘッドの掘削部分に重なり合うように掘削する短スポークフレームとを設けた
ことを特徴とする長方形断面トンネル用シールド掘進機の掘削装置。
【請求項２】
シールド本体の前部に複数のカッタ装置を配置して長方形断面のトンネルを掘削する長方形断面シールド掘進機であって、
シールド本体前部の両側に、頂部がルーロの三角形の頂点に位置する側部カッタヘッドを掘進方向に沿う自転軸周りに自転駆動されるとともに、自転軸から所定距離離れた公転軸心周りに、自転軸心周りの回転方向および回転速度に対して逆方向でかつ３倍の速度で公転駆動されることにより、略正方形断面を掘削するルーロ定理式カッタ装置を設け、
前記側部カッタヘッドの間で中央胴部の前部に、同一軸心上に配置された中央回転カッタと中央揺動カッタからなる中央カッタ装置を設け、
前記中央回転カッタは、前記軸心から半径方向に延びる短いカッタスポークを前記軸心周りに回転して先端部が側部カッタヘッドの掘削部分に重なる小円形断面のトンネルを掘削するように構成され、
前記中央揺動カッタは、前記軸心から対称方向に延びる長いカッタスポークを所定範囲で揺動させて中央胴部の上辺と下辺にそれぞれ沿う扇形断面のトンネルを掘削するように構成された
ことを特徴とする長方形断面トンネル用シールド掘進機の掘削装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に縦横比が大きく１：２（または２：１）を越える長方形断面トンネルを掘削するためのシールド掘進機の掘削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば縦横比の大きい長方形断面のトンネルを掘削するものとして、たとえば特開平９−２４２４７１号公報には、図１７に示すように、上下３段に回転式で大径の主カッタ１Ａ，１Ｂ，１Ｃを配置するとともに、前面四隅位置にそれぞれ回転式で小径の副カッタ２Ａ〜２Ｄを配置したものが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来構成では、小径の副カッタを配置するため、構造が複雑になるとともに、特に四隅位置に配置された小径の副カッタは土砂が滞留しやすく、掘削が円滑に行えないという問題があった。
【０００４】
本発明は上記問題点を解決して、隅部に小径カッタを配置すること無く、構造を簡略化できるとともに、土砂の取り込みも良好に行えて掘削を円滑に行える長方形断面トンネル用シールド掘進機の掘削装置を提供することを目的とする。
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、シールド本体の前部に複数のカッタ装置を配置して長方形断面のトンネルを掘削する長方形断面シールド掘進機であって、シールド本体前部の両側に、頂部がルーロの三角形の頂点に位置する側部カッタヘッドを掘進方向に沿う自転軸周りに自転駆動されるとともに、自転軸から所定距離離れた公転軸心周りに、自転軸心周りの回転方向および回転速度に対して逆方向でかつ３倍の速度で公転駆動されることにより、略正方形断面を掘削するルーロ定理式カッタ装置を設け、前記側部カッタヘッドの間の中央胴部の前部に、中央カッタヘッドが所定範囲で揺動される揺動式中央カッタ装置を設け、前記中央カッタヘッドに、センター部材から半径方向に延び先端部が中央胴部の上辺および下辺に沿って揺動される長スポークフレームと、センター部材から半径方向に延び前記側部カッタヘッドの掘削部分に重なり合うように掘削する短スポークフレームとを設けたものである。
上記構成によれば、四隅を含む側部をルーロの定理式カッタ装置を使用して掘削するので、小径カッタが不要となり、四隅部分の土砂の取り込みを良好に行え、長方形断面のトンネルを円滑に掘削することができる。また四隅部をアール付きの角部に形成できるので、余分な掘削部分がなく、効率のよい掘削ができる。また側部カッタヘッド間に、長スポークフレームと短スポークフレームからなる中央カッタヘッドを所定範囲で揺動させる揺動式中央カッタ装置を設けたので、側部カッタヘッドの掘削部分と中央カッタヘッドの掘削部分とが重なる部分を減少させて、効率よく掘削することができる。
【０００６】
請求項２記載の発明は、シールド本体の前部に複数のカッタ装置を配置して長方形断面のトンネルを掘削する長方形断面シールド掘進機であって、シールド本体前部の両側に、頂部がルーロの三角形の頂点に位置する側部カッタヘッドを掘進方向に沿う自転軸周りに自転駆動されるとともに、自転軸から所定距離離れた公転軸心周りに、自転軸心周りの回転方向および回転速度に対して逆方向でかつ３倍の速度で公転駆動されることにより、略正方形断面を掘削するルーロ定理式カッタ装置を設け、前記側部カッタヘッドの間で中央胴部の前部に、同一軸心上に配置された中央回転カッタと中央揺動カッタからなる中央カッタ装置を設け、前記中央回転カッタは、前記軸心から半径方向に延びる短いカッタスポークを前記軸心周りに回転して先端部が側部カッタヘッドの掘削部分に重なる小円形断面のトンネルを掘削するように構成され、前記中央揺動カッタは、前記軸心から対称方向に延びる長いカッタスポークを所定範囲で揺動させて中央胴部の上辺と下辺にそれぞれ沿う扇形断面のトンネルを掘削するように構成されたものである。
上記構成によれば、四隅を含む側部をルーロの定理式カッタ装置を使用して掘削するので、小径カッタが不要となり、四隅部分の土砂の取り込みを良好に行え、長方形断面のトンネルを円滑に掘削することができる。また四隅部をアール付きの角部に形成できるので、余分な掘削部分がなく、効率のよい掘削ができる。また側部カッタヘッド間に、短いカッタスポークを有する中央回転カッタと、長いカッタスポークを有する中央揺動カッタとを同一軸心上に配置した中央カッタ装置を設けたので、側部カッタヘッドとの重複掘削部分を少くでき、また土砂の流動性を高めることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係るシールド掘進機（トンネル掘削機）の掘削装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここで説明するシールド掘進機は、縦横比が約１：２（または２：１）を越える縦長または横長の長方形断面のトンネルを掘削するものである。
【０００８】
図１〜図６は、本発明に係る掘削装置の第１の実施の形態を示す。
このシールド掘進機は、そのシールド本体１１が連結装置１２，１２により隣接する胴部同士が連結された中央胴部１１Ａと左右の側方胴部１１Ｂ，１１Ｂと、後胴部１１Ｃからなり、側方胴部１１Ｂ，１１Ｂは外側角部が角丸に形成された略正方形断面に形成され、また中央胴部１１Ａは、上下辺が外側に円弧状に膨らむ縦長の長方形断面に形成されている。そして、中央の中央胴部１１Ａの前部に上下一対の回転式カッタ装置１３Ａ，１３Ｂが配設されるとともに、左右の側方胴部１１Ｂ，１１Ｂの前部にルーロ定理式カッタ装置１４が配設されている。
【０００９】
前記ルーロ定理式カッタ装置１４は、図１に示すように、頂部がルーロの三角形の頂点に位置する側部カッタヘッド１５が掘進方向に沿う側方胴部軸心（公転軸心）Ｏｅから所定の偏心距離Ｅだけ偏心した自転軸心Ｏｓ周りに自転駆動されるとともに、自転軸心Ｏｓ周りの回転方向および回転速度に対して逆方向でかつ３倍の速度で側方胴部軸心Ｏｅ周りに公転駆動され、これにより角アールの正方形断面のトンネルＴｓを掘削するものである。
【００１０】
すなわち、ルーロ定理式カッタ装置１４の側部カッタヘッド１５は、センター部材１５ａから１２０度ごとに半径方向に延びる３本のスポークフレーム１５ｂがルーロの三角形の頂点位置まで伸び、これらセンター部材１５ａとスポークフレーム１５ｂとに多数のカッタビット１５ｃが設けられたスポーク型カッタが採用されている。
【００１１】
また、図４，図５に示すように、左右の側方胴部１１Ｂ，１１Ｂの前部には、切羽崩壊土圧を保持する圧力室１７を形成する圧力隔壁１６がそれぞれ配置されている。この圧力隔壁１６は、外周壁体１６ａと、この外周壁体１６ａに側方胴部軸心Ｏｅを中心とする支持穴に軸受を介して旋回自在に支持された公転壁体１６ｂとで構成され、この公転壁体１６ｂに設けられた側部軸受１８に、センター部材１５ａに連結された側部カッタ軸１９が、側方胴部軸心Ｏｅから所定距離離れた自転軸心Ｏｓ周りに回転自在に支持されている。
【００１２】
大気室２０側には側部カッタヘッド１５を回転駆動する側部カッタ駆動装置２１が配設されており、側部カッタ駆動装置２１は、側部カッタ軸１９に連結部材２２ａを介して固定された遊星ギヤ２２と、側方胴部１１Ｂに固定されて遊星ギヤ２２に噛み合う固定内リングギヤ２３と、公転壁体１６ｂに固定された公転リングギヤ２４と、側部カッタ駆動モータ２５により減速機を介して回転駆動され前記公転リングギヤ２４に噛み合う側部カッタ駆動ピニオン２６とで構成されている。そして、公転壁体１６ｂの１回転に対して、主カッタ軸１９が逆方向に１／３回転するように、遊星ギヤ２２と固定内リングギヤ２３とのギヤ比が設定され、これにより、側方胴部１１Ｂの外周部に沿いかつ中央部本体１１Ａに僅かに及ぶ角丸正方形断面のトンネルＴｓが掘削される。
【００１３】
前記回転式カッタ装置１３Ａ，１３Ｂの中央カッタヘッド３１は、センター部材３１ａから１２０度ごとに半径方向に延びる３本のスポークフレーム３１ｂを有するとともに、これらセンター部材３１ａとスポークフレーム３１ｂとにそれぞれ多数のカッタビット３１ｃが設けられたスポーク型カッタヘッドが採用され、側部カッタヘッド１５より前部に配置されている。中央胴部１１Ａの前部は、掘削土砂を左右の圧力室１７に案内するガイド板３２ａが前面に取り付けられた支持隔壁３２が設けられており、この支持隔壁３２の上下位置に貫設された軸受３３に、中央カッタヘッド３１に連結された中央カッタ軸３４が掘進方向に沿う軸心Ｏ１，Ｏ２周りに回転自在に支持されている。
【００１４】
中央胴部１１Ａの大気室２０側には、図２，図４，図６に示すように、中央カッタヘッド３１をそれぞれ回転駆動する中央カッタ駆動装置３５が配設されており、これら中央カッタ駆動装置３５は、中央カッタ軸３４の後部に固定された受動大ギヤ３６と、中央カッタ駆動モータ３８により減速機を介して回転駆動され受動大ギヤ３６に噛み合う副駆動ピニオン３７とで構成され、上下位置の中央カッタ駆動装置３５により中央カッタヘッド３１，３１が干渉しないように同期して同一方向に回転駆動されることにより、中央胴部１１Ａの上下辺に沿い、かつ側部胴部１１Ｂの前方に及ぶ円形断面のトンネルＴｕ，Ｔｂを掘削することができる。
【００１５】
左右の側部胴部１１Ｂの外周壁体１６ａには、図５に示すように、圧力室１７から土圧を保持しつつ掘削土砂を排出する排土用スクリュコンベヤ４１が貫設され、この排土用スクリュコンベヤ４１には、圧送用ロータリポンプ４２を介して排泥管４３が接続されている。また中央胴部１１Ａおよび側部胴部１１Ｂと後胴部１１Ｃは、図３に示すように、シール部４４および複数の中折れジャッキ４５を介して揺動自在に連結されている。そして、後胴部１１Ｃにはセグメントを組み立てるエレクタ装置４６が配設されるともに、組み立てられたセグメントを反力受けとしてシールド本体１１を前進させる複数の推進ジャッキ４７が設けられている。
【００１６】
上記構成において、地山を掘削する場合には、左右の側部カッタ駆動装置２１により、側部カッタヘッド１５を自転軸心Ｏｓ周りに自転駆動させるとともに、自転軸心Ｏｓから偏心距離Ｅ離れた側方胴部軸心Ｏｅ周りに、自転軸心Ｏｓ周りの回転方向および回転速度に対して逆方向でかつ３倍の速度で公転駆動させることにより、略正方形断面のトンネルＴｓがそれぞれ掘削される。同時に、上下の中央カッタ駆動装置３５により中央カッタヘッド３１がそれぞれ回転駆動されることにより、円形断面のトンネルＴｕ，Ｔｂが掘削される。これにより、横長の長方形断面のトンネルが掘削され、掘削土砂は、圧力室１７から排土用スクリュコンベヤ４１により排出される。
【００１７】
上記実施の形態によれば、隅部に小径カッタを配置することが無いので、構造を簡略化できるとともに、土砂の取り込みも良好に行えて掘削を円滑に行うことができる。
【００１８】
図７〜図９は、本発明に係る掘削装置の第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
中央胴部１１Ａには、中央部に１個の回転式カッタ装置５１が配置されており、この中央カッタヘッド５２は、センター部材５２ａから６０度ごとに半径方向に延びる６本のスポークフレーム５２ｂを有するとともに、これらセンター部材５２ａとスポークフレーム５２ｂにそれぞれ多数のカッタビット（図示せず）が設けられたスポーク型カッタヘッドが採用され、側部カッタヘッド１５より前部に配置され、支持隔壁３２に軸受５０を介して掘進方向に沿う回転軸心Ｏ３周りに回転自在に支持された中央カッタ軸５３を介して支持されている。
【００１９】
中央胴部１１Ａの大気室２０側には、中央カッタヘッド５２を中央カッタ軸５３を介して回転駆動する中央カッタ駆動装置５４が配設されており、この中央カッタ駆動装置５４は、中央カッタ軸５３の後部に固定された受動大ギヤ５５と、中央カッタ駆動モータ５６により減速機を介して回転駆動され受動大ギヤ５５に噛み合う中央駆動ピニオン５７とで構成され、中央カッタ駆動装置５４により中央カッタヘッド５２が所定方向に回転駆動されることにより、中央胴部１１Ａの上下辺に沿い、かつ側部胴部１１Ｂの前方に及ぶ円形断面のトンネルＴｃ１を掘削することができる。
【００２０】
上記第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
図１０〜図１２は、本発明に係る掘削装置の第３の実施の形態を示し、先の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００２１】
中央胴部１１Ａには、中央部に揺動式中央カッタ装置６１が１個配置されており、この中央カッタヘッド６２は、センター部材６２ａから６０度ごとに半径方向に延びる同一長さの６本のスポークフレーム６２ｂを有するとともに、これらセンター部材６２ａとスポークフレーム６２ｂにそれぞれ多数のカッタビット（図示せず）が設けられたスポーク型カッタヘッドが採用されるとともに、側部カッタヘッド１５より前部に配置され、支持隔壁３２に軸受６０を介して掘進方向に沿う揺動軸心Ｏ４を中心に所定範囲で回動自在に支持された中央カッタ軸６３により支持されている。
【００２２】
中央胴部１１Ａの大気室２０側には、中央カッタヘッド６２を中央カッタ軸６３を介して回転駆動する中央カッタ揺動装置６４が配設されている。この中央カッタ揺動装置６４は、たとえば２本の油圧式揺動シリンダ６５Ａ，６５Ｂからなり、中央カッタ軸６３に固定された揺動部材６６のブラケットと中央胴部１１Ａとの間にカッタ揺動シリンダ６５Ａ，６５Ｂがそれぞれ連結されている。そして、揺動シリンダ６５Ａ，６５Ｂを伸縮させることにより、隣接するスポークフレーム６２ｂと重なる範囲αの範囲で揺動させることにより、中央胴部１１Ａの上下辺に沿い、かつ側部胴部１１Ｂの前方に及ぶ円形断面のトンネルＴｃ２を掘削することができる。
【００２３】
上記第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
図１３は、本発明に係る掘削装置の第４の実施の形態を示し、先の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００２４】
第３の実施の形態では、中央カッタヘッド６２のスポークフレーム６２ｂが同一長さで６本取り付けられていたのに対して、第４の実施の形態では対称位置の２本を長スポークフレーム６２ｃとし、残りの２本を短スポークフレーム６２ｄとすることにより、側部カッタヘッド１５と重なり合う掘削部分を減少させたものである。他は第３の実施の形態と同一構成であるため、説明を省略する。上記第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また側部カッタヘッド１５に重なり合う掘削部分が減少され、効率のよい掘削ができる。
【００２５】
図１４〜図１６は、本発明に係る掘削装置の第５の実施の形態を示し、先の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
この第５の実施の形態は、中央胴部１１Ａの前部に、回転式と揺動式とを組み合わせた中央カッタ装置７１を配置したものである。
【００２６】
すなわち、中央胴部１１Ａには、同一軸心上にカッタスポークの短い中央回転カッタ７２と、カッタスポークの長い中央揺動カッタ７３が配置されており、中央揺動カッタ７３は側部カッタヘッド１５より前部に配置されるとともに、中央回転カッタ７２は中央揺動カッタ７３より前部に配置されている。
【００２７】
中央回転カッタ７２はセンター部材７２ａから６０度ごとに半径方向に伸びる６本のスポークフレーム７２ｂを有し、支持壁３２に軸受７０およびカッタ外軸７４Ｂを介してカッタ中心軸７４Ａにより掘進方向に沿う軸心Ｏ５周りに支持されている。また中央揺動カッタ７３は、センター部材から１８０度対称方向に伸びる２本のスポークフレーム７３ａを有し、支持壁３２に軸受７０を介してカッタ外軸７４Ｂに支持されている。そして、中央胴部１１Ａの大気室２０側には、中央回転カッタ７２をカッタ中心軸７４Ａを介して回転駆動するカッタ回転駆動装置７５と、中央揺動カッタ７３をカッタ外軸７４Ｂを介して揺動させるカッタ揺動装置７６が配設されている。
【００２８】
すなわち、前部に配設されたカッタ揺動装置７６は、カッタ外軸７４Ｂに固定された揺動部材７７のブラケットと中央胴部１１Ａとの間に揺動シリンダ７８Ａ，７８Ｂがそれぞれ連結されている。そして、揺動シリンダ７８Ａ，７８Ｂを伸縮させることにより、中央揺動カッタ７３をαの範囲で揺動させ、中央胴部１１Ａの上下辺に沿う上下対称の扇形断面のトンネルＴｎを掘削する。また後部には、カッタ中心軸７４Ａの後部に固定された受動大ギヤ８１と、中央カッタ駆動モータ８２により減速機を介して回転駆動され受動大ギヤ８１に噛み合う中央駆動ピニオン８３とで構成され、中央回転カッタ７２を回転駆動することにより、中心部の小円形断面のトンネルＴｃｓを掘削することができる。
【００２９】
上記第５の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、中央回転カッタ７２により、側部カッタヘッド１５との重複掘削部分が少なくできるとともに、土砂の流動性を高めることができる。
【００３０】
なお、上記実施の形態では、カッタヘッドをスポーク型としたが、カッタ面板に土砂取入れ口が形成された面板型カッタヘッドであってもよい。
また、上記実施の形態では、横長の長方形トンネルを掘削するシールド掘進機としたが、縦長の長方形トンネルを掘削するシールド掘進機であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１記載の発明によれば、四隅を含む側部をルーロの定理式カッタ装置を使用して掘削するので、小径カッタが不要となり、四隅部分の土砂の取り込みを良好に行え、長方形断面のトンネルを円滑に掘削することができる。また四隅部をアール付きの角部に形成できるので、余分な掘削部分も少なく、効率のよい掘削ができる。さらに側部カッタヘッド間に、長スポークフレームと短スポークフレームからなる中央カッタヘッドを所定範囲で揺動させる揺動式中央カッタ装置を設けたので、側部カッタヘッドの掘削部分と中央カッタヘッドの掘削部分とが重なる部分を減少させて、効率よく掘削することができる。
請求項２記載の発明によれば、四隅を含む側部をルーロの定理式カッタ装置を使用して掘削するので、小径カッタが不要となり、四隅部分の土砂の取り込みを良好に行え、長方形断面のトンネルを円滑に掘削することができる。また四隅部をアール付きの角部に形成できるので、余分な掘削部分がなく、効率のよい掘削ができる。また四隅を含む側部をルーロの定理式カッタ装置を使用して掘削するので、小径カッタが不要となり、四隅部分の土砂の取り込みを良好に行え、長方形断面のトンネルを円滑に掘削することができる。また四隅部をアール付きの角部に形成できるので、余分な掘削部分がなく、効率のよい掘削ができる。さらに側部カッタヘッド間に、短いカッタスポークを有する中央回転カッタと、長いカッタスポークを有する中央揺動カッタとを同一軸心上に配置した中央カッタ装置を設けたので、側部カッタヘッドとの重複掘削部分を少くでき、また土砂の流動性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態を示すシールド掘進機の正面図である。
【図２】同シールド掘進機の正面断面図である。
【図３】同シールド掘進機の全体平面断面図である。
【図４】同シールド掘進機の部分拡大平面断面図である。
【図５】同シールド掘進機の側方胴部を示す側面断面図である。
【図６】同シールド掘進機の中央胴部を示す側面断面図である。
【図７】本発明に係る第２の実施の形態を示すシールド掘進機の正面図である。
【図８】同シールド掘進機の正面断面図である。
【図９】同シールド掘進機の中央胴部の側面断面図である。
【図１０】本発明に係る第３の実施の形態を示すシールド掘進機の正面図である。
【図１１】同シールド掘進機の正面断面図である。
【図１２】同シールド掘進機の中央胴部の側面断面図である。
【図１３】本発明に係る第４の実施の形態を示すシールド掘進機の正面図である。
【図１４】本発明に係る第５の実施の形態を示すシールド掘進機の正面図である。
【図１５】同シールド掘進機の正面断面図である。
【図１６】同シールド掘進機の中央胴部の側面断面図である。
【図１７】従来のシールド掘進機を示す正面図である。
【符号の説明】
１１    シールド本体
１１Ａ  中央胴部
１１Ｂ  側方胴部
１３Ａ，１３Ｂ  回転式カッタ装置
１４    ルーロの定理式カッタ装置
１５    側部カッタヘッド
２１    側部カッタ駆動装置
３１    中央カッタヘッド
３５    中央カッタ駆動装置
５１    回転式カッタ装置
５２    中央カッタヘッド
６１    揺動式中央カッタ装置
６２    中央カッタヘッド
７１    中央カッタ装置
７２    中央回転カッタ
７３    中央揺動カッタ
【図１】
0003883370.tif 000002
【図２】
0003883370.tif 000003
【図３】
0003883370.tif 000004
【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】
0003883370.tif 000009
【図９】
0003883370.tif 000010
【図１０】
0003883370.tif 000011
【図１１】
0003883370.tif 000012
【図１２】
0003883370.tif 000013
【図１３】
0003883370.tif 000014
【図１４】
0003883370.tif 000015
【図１５】
0003883370.tif 000016
【図１６】
0003883370.tif 000017
【図１７】
0003883370.tif 000018