(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状が円形及び円形以外の左右対称の断面異形状のトンネルを掘削により形成することが可能なシールド掘進機であって、
前記トンネルの左右対称線を境にしてその両側でかつ該トンネル中心よりも上部に旋回中心が設けられると共に多数の切削用のカッタービットが旋回方向と直交する旋回半径方向に配列されて所定角度範囲内で往復揺動される一対のカッタービット固定翼板が設けられ、該一対のカッタービット固定翼板は前記トンネル断面の輪郭線に倣う形状の輪郭部を有し、該輪郭部に沿って多数の切削用のカッタービットが配列され、前記一対のカッタービット固定翼板に前記カッタービットにより掘削しきれない箇所を掘削するためのコピーカッターが前記旋回半径方向に出没制御可能に設けられていることを特徴とするつばさ型シールド掘進機。
【請求項２】
請求項１において、掘削された掘削土を排出する排出口が前記トンネルの中心よりも下部に設けられていることを特徴とするつばさ型シールド掘進機。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記一対のカッタービット固定翼板は交互に揺動されることを特徴とするつばさ型シールド掘進機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記一対のカッタービット固定翼板は下方に旋回されるときに掘削方向に向かって進出され、かつ、上方に旋回されるときに掘削方向に対して後退されることを特徴とするつばさ型シールド掘進機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記一対のカッタービット固定翼板は各旋回駆動用油圧ジャッキ機構により揺動されることを特徴とするつばさ型シールド掘進機。
【請求項６】
請求項５において、前記各旋回駆動用油圧ジャッキ機構と各カッタービット固定翼板とが各支持プレートに揺動可能に取り付けられ、該各支持プレートは前後駆動用油圧ジャッキ機構により掘削方向に前後動されることを特徴とするつばさ型シールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断面形状が円形及び円形以外の左右対称の断面異形状のトンネル、すなわち、円形、矩形、楕円形等の左右対称形状のトンネルを掘削することのできるシールド掘進機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、断面形状が円形以外の左右対称の断面異形状のトンネル、例えば、長方形状、楕円形状等の断面異形状のトンネルを掘削するシールド掘進機が知られている。
この従来のシールド掘進機は、例えば、回転軸にこの回転軸を中心にして１２０度毎に半径方向に延びるカッタービット固定面板を設け、このカッタービット固定面板にその半径方向に沿って多数の切削用のカッタービットを配列して取り付け、このカッタービット固定面板の先端部に、半径方向に進退するコピーカッターを設け、このカッタービットが配列されたカッタービット固定面板の回転軸を施工計画されたトンネルの中心に対して偏心させつつ回転させて掘削すると共に、該面板に設けられたカッタービットにより掘削しきれない箇所を、回転角度に応じてコピーカッターを進退制御して掘削することにより、例えば、断面形状が長方形状のトンネルの掘削を行うようになっている。
【０００３】
また、他の従来例として、断面ほぼ四角形のスキンプレートの前部対角に回動中心を有する２本のカッターアームを互いに干渉しない状態で回動させる構造のシールド掘進機がある（特許第２７７５０３５号公報）。このシールド掘進機は対角配置された回動中心を支点にして２本のカッターアームが回動するため、断面ほぼ四角形のトンネルを掘削することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の従来のシールド掘進機では、断面形状が円形以外の左右対称の断面異形状のトンネルの掘削を行うことができるとはいうものの、トンネル中心に対する回転軸の偏心量に基づくカッタービット固定面板の回転軌跡によってトンネルの断面異形状が概略規定され、また、回転角度に応じてコピーカッターを逐一制御しなければならないために、断面形状が円形以外の左右対称の断面異形状のトンネルの掘削を効率よく行うことができず、とりわけ、横に長い断面異形状のトンネルの掘削を行うのに不向きであるという問題点がある。
【０００５】
また後者の従来技術では、ほぼ四角形の対角位置に、即ちコーナー部に対角的に配置された回動中心を支点にカッターアームが回動する構造であるため、一方の回動中心は、必ずトンネル中心よりも下側のしかも下端近くに位置することになる。そのため、該一方のカッターアームの揺動側部分は、回動中心と同レベルか又はそれよりも常に上方に位置することになることから、その揺動時の負荷が他方のカッターアームより過大となり、設計上のバランスが崩れ、構造的に複雑化する問題がある。更に、重力に対しては、前記回動中心が対角配置という上下にアンバランスな構造であるため、目的とする断面形状のトンネル掘削を安定して継続することが難しいという問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、上述した従来技術の有する問題点に鑑みて為されたもので、断面形状が円形以外の左右対称の断面異形状のトンネルの掘削を効率よく安定して行うことができるつばさ型シールド掘進機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本願請求項１に記載の発明は、断面形状が円形及び円形以外の左右対称の断面異形状のトンネルを掘削により形成することが可能なシールド掘進機であって、前記トンネルの左右対称線を境にしてその両側でかつ該トンネル中心よりも上部に旋回中心が設けられると共に多数の切削用のカッタービットが旋回方向と直交する旋回半径方向に配列されて所定角度範囲内で往復揺動される一対のカッタービット固定翼板が設けられ、該一対のカッタービット固定翼板は前記トンネル断面の輪郭線に倣う形状の輪郭部を有し、該輪郭部に沿って多数の切削用のカッタービットが配列され、前記一対のカッタービット固定翼板に前記カッタービットにより掘削しきれない箇所を掘削するためのコピーカッターが前記旋回半径方向に出没制御可能に設けられていることを特徴とするつばさ型のシールド掘進機である。
【０００８】
本発明によれば、トンネルの左右対称線を境にしてその両側でかつ該トンネル中心よりも上部に旋回中心が設けられた一対のカッタービット固定翼板を揺動させる構成とし、更に、各カッタービット固定翼板にトンネル断面の輪郭線に倣う形状の輪郭部を設け、この輪郭部に沿って多数のカッタービットを配列したので、施工計画された左右対称断面形状のトンネルの輪郭線部の地盤を一対のカッタービット固定翼板のカッタービットにより掘削して輪郭線を概略規定できることになる。更に、前記コピーカッターにより前記カッタービットにより掘削しきれない箇所を掘削するので、左右対称断面形状のトンネルの掘削を簡単且つ効率よく行うことができる。特に、一対のカッタービット固定翼板の旋回中心がトンネル中心より上部に左右対称に位置するため、該カッタービット固定翼板を鳥の翼の羽ばたきのように上から下に向かって左右対称に揺動させることができ、もって左右にバランスした状態で且つ重力に従った効率的な掘削を行うことができる。また、トンネルの左右対称線を境に一対のカッタービット固定翼板を設ける構成としたので、とりわけ、横に長い長方断面形状、楕円形状（たまご型形状）のトンネルを効率よく掘削できる。
なお、つばさ型シールド掘進機は、土圧式、泥水式のいずれのシールド掘進機にも適用できる。
【０００９】
本願請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のつばさ型シールド掘進機において、掘削された掘削土を排出する排出口が前記トンネルの中心よりも下部に設けられていることを特徴とするものである。本発明によれば、掘削土が落下して排出口の近傍に自然に堆積するので、掘削土を効率よく外部に排出することができる。
【００１０】
本願請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のつばさ型シールド掘進機において、前記一対のカッタービット固定翼板は交互に揺動されることを特徴とするものである。本発明によれば、一対のカッタービット固定翼板が互いに干渉することなく掘削を行うことができる。
【００１１】
本願請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のつばさ型シールド掘進機において、前記一対のカッタービット固定翼板は下方に旋回されるときに掘削方向に向かって進出され、かつ、上方に旋回されるときに掘削方向に対して後退されることを特徴とするものである。本発明によれば、一対のカッタービット固定翼板が上から下に向かって旋回するときにカッタービットにより掘削を行い、下から上に向かって旋回するときにはカッタービットを掘削地盤に確実に当たらないようにすることができるので、カッタービット固定翼板の下から上への戻り方向の旋回をスームズに行うことができると共に、掘削土が上方に掻き上げられずに下側にだけ集まるため、掘削土の排出構造を単純化する事が可能になる。
【００１２】
本願請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のつばさ型シールド掘進機において、前記一対のカッタービット固定翼板は各旋回駆動用油圧ジャッキ機構により揺動されることを特徴とするものである。本発明によれば、旋回駆動用油圧ジャッキ機構を用いて翼板を揺動させる構成としたので、構造がシンプルとなり、小型化及び低コスト化を図ることができる。更に、各ジャッキ機構を個別に前進、後退の作動をさせることにより、シールド掘進機の進行方向の制御がし易くなる効果が得られる。
【００１３】
本願請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のつばさ型シールド掘進機において、前記各旋回駆動用油圧ジャッキ機構と各カッタービット固定翼板とが各支持プレートに揺動可能に取り付けられ、該各支持プレートは前後駆動用油圧ジャッキ機構により掘削方向に前後動されることを特徴とするものである。本発明によれば、前後駆動用油圧ジャッキ機構により各カッタービット固定翼板を前後動させる構成としたので、請求項５に記載の発明と同様にその構造がシンプルとなり、低コスト化を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施の形態１】
図１ないし図８は、横に長い長方形状のトンネルを掘削する土圧式のつばさ型シールド掘進機の説明図であって、図１は本発明の実施の形態１に係わるつばさ型シールド掘進機の縦断面図、図２は図１のカッタービット固定翼板を矢印Ａ方向から見た半部分正面図、図３は図１の矢印Ｂ−Ｂ線に沿う半部分断面図、図４は図１の矢印Ｃ方向から見た半部分背面図、図５は図１の矢印Ｄ−Ｄ線に沿う半部分断面図、図６ないし図８は本発明に係わるカッタービット固定翼板の揺動軌跡の一例を示す説明図である。
【００１５】
図１において、１はフロントシールド筒であり、フロントシールド筒１は後筒２と前筒３とから構成されている。前筒３には隔壁４が設けられている。そのフロントシールド筒１の延びる方向が掘削方向であり、後筒２と前筒３とは方向修正ジャッキ装置５により連結され、フロントシールド筒１は方向修正ジャッキ装置５により掘削進行方向が修正される。
前筒３には図４、図５にも示すようにガイドシャフト６がブラケット７を介して設けられている。このガイドシャフト６は掘削方向に延びている。このガイドシャフト６には後述する一対のカッタービット固定翼板を取り付けるための各支持プレート８が摺動可能に支承されている。
【００１６】
前筒３の上部には図１に示すように前後駆動用油圧ジャッキ機構としての油圧シリンダー９が設けられ、その油圧シリンダー９のシリンダー筒１０の後端が前筒３のブラケット１１に取り付けられている。その油圧シリンダー９のシリンダーロッド１２の先端は支持プレート８と一体のブラケット１１３に取り付けられている。支持プレート８はそのシリンダーロッド１２を進退させることによりガイドシャフト６に沿って掘削方向に前後動される。
【００１７】
支持プレート８には油圧シリンダー１３が設けられると共に、図６ないし図８に示す一対のカッタービット固定翼板１４が設けられている。隔壁４には、設計的に計画されたトンネルＴＲの中心Ｏよりも上方で左右対称線ＲＬ（図６ないし図８）を境に、その両側に軸受け筒１５（図１）が設けられている。各カッタービット固定翼板１４は、旋回筒軸１６（図１、図３）を有し、この各旋回筒軸１６は各軸受け筒１５に回転可能に支承され、各カッタービット固定翼板１４は押え板１４’によって該旋回筒軸１６に強固に固定されている。各旋回筒軸１６には旋回アーム１７が取り付けられている。
油圧シリンダー１３のシリンダー筒１８は支持プレート８に揺動可能に取り付けられ、油圧シリンダー１３のシリンダーロッド１９はリンク機構としての旋回アーム１７に揺動可能に取り付けられる。
【００１８】
カッタービット固定翼板１４は、前筒３の先端よりも前方に突出されており、このカッタービット固定翼板１４は、図２、図６ないし図８に示すようにトンネルＴＲの異形状断面の輪郭線に倣う形状の輪郭部１４Ａを有している。カッタービット固定翼板１４には、図２、図３に示すように、掘削土を取り込むための開口２０が適宜箇所に形成されている。
カッタービット固定翼板１４は、油圧シリンダー１３を制御することにより旋回筒軸１６を旋回中心Ｑとして図６ないし図８に示すような旋回軌跡を描きながら所定角度範囲内で往復揺動される。
前記開口２０は、旋回方向と直交する旋回半径方向に延びる形状とされ、カッタービット固定翼板１４は、ここではこの開口２０によって、旋回半径最大部１４Ｂ、旋回半径最小部１４Ｃ、旋回半径中間部１４Ｄに区分されている。
【００１９】
カッタービット固定翼板１４には旋回半径方向に多数の切削用のカッタービット２１が配列されると共に、輪郭部１４Ａに沿って多数の切削用のカッタービット２２が配列されている。ここでは、カッタービット２１は旋回方向前縁側と旋回方向後縁側とに設けられている。
隔壁４は切羽側を密閉する役割を有し、該隔壁４には掘削された掘削土を下方に向かって案内する案内壁２３が設けられ、更に隔壁４の中央下部には、掘削土排出用のスクリューコンベア２４への排出口２５が臨んでいる。
カッタービット固定翼板１４の内側には、図１に示すように切削された掘削土の撹拌用の撹拌羽根２６が設けられ、掘削土は撹拌されつつ排出口２５に集積されてスクリューコンベア２４により外部に排出される。
【００２０】
そのカッタービット固定翼板１４には、図３に示すように、旋回半径最大部１４Ｂにコピーカッター駆動シリンダ２７が格納設置され、コピーカッター駆動シリンダ２７のロッド先端にはコピーカッター２８がカッタービット固定翼板１４に対して旋回半径方向に出没制御可能に設けられている。このコピーカッター２８はカッタービット固定翼板１４に取り付けられたカッタービット２１、２２では掘削しきれない掘削残り箇所を掘削する役割を果たす。ここでは、カッタービット固定翼板１４にはこのコピーカッター駆動シリンダ２７と共に、このコピーカッター駆動シリンダ２７を制御するための油圧ユニット２９、この油圧ユニット２９を制御するための制御ユニット３０が格納設置されている。これら各ユニット２９、３０の配管ホース、配線は旋回筒軸１６内を通して配設される。
このものは、一対のカッタービット固定翼板１４のうちの一方のカッタービット固定翼板１４を進出させつつ下方に向かって旋回させて切羽の概略左半分をカッタービット２１、２２により掘削し、その際に削り残しが生じる箇所についてはコピーカッター２８を進出させて掘削する。
【００２１】
図６はその一方のカッタービット固定翼板１４を原位置から２８度旋回させ、図７はその一方のカッタービット固定翼板１４を原位置から４５度旋回させ、図８はその一方のカッタービット固定翼板１４を原位置から６５度旋回させた状態を示し、カッタービット固定翼板１４は切羽の左右対称線ＲＬを所定角度越えるまで旋回駆動される。
そして、その一方のカッタービット固定翼板１４は、その後原位置に戻る方向の上方に旋回されて元の位置に復帰され、次に、他方のカッタービット固定翼板１４を進出させつつ下方に向かって旋回させてトンネルの概略右半分をカッタービット２１、２２により掘削し、その際に削り残しが生じる箇所についてはコピーカッター２８を進出させて掘削し、一対のカッタービット固定翼板１４を互いに干渉しないように交互に揺動させることにより、全体として横に長い断面長方形状のトンネルＴＲが掘削される。
【００２２】
この発明の実施の形態１によれば、断面長方形状の輪郭線に倣う形状の輪郭部１４Ａを有するカッタービット固定翼板１４を用いることにしたので、施工計画されたトンネルＴＲの輪郭線部の地盤をこの輪郭部１４Ａに沿って配列されたカッタービット２２により掘削して輪郭線を概略規定でき、掘削効率を向上させることができる。
その際、カッタービット固定翼板１４を、重力に従って下方に向かって旋回させるときに掘削方向に向かって進出させ、上方に向かって旋回させるときに掘削方向に対して後退させる構成とすれば、掘削効率の向上をより一層図ることができる。
また、本発明によれば、カッタービット固定翼板１４を所定範囲内で往復揺動させる構成としたので、コピーカッター駆動用の油圧ユニット２８をカッタービット固定翼板１４に格納配設する構成を採用した場合でも、配管ホース、配線等のねじれを防止でき、カッタービット固定翼板１４のインテリジェント化を図り易くなるという効果もある。
【００２３】
【実施の形態２】
図９ないし図１７は、横に長い長方形状のトンネルを掘削する泥水式のつばさ型シールド掘進機の説明図であり、図９は本発明の実施の形態２に係わるつばさ型シールド掘進機の縦断面図であってカッタービット固定翼板１４がフロントシールド筒１よりも前方に突出している状態を示し、図１０は図９のカッタービット固定翼板１４がフロントシールド筒１に向かって引き込まれている状態を示し、図１１は図９のカッタービット固定翼板１４を矢印Ｅ方向から見た半部分正面図であり、図１２は図９の矢印Ｆ−Ｆ線に沿う半部分断面図、図１３は図９の矢印Ｇ方向から見た半部分背面図、図１４は図９の矢印Ｈ−Ｈ線に沿う半部分断面図、図１５ないし図１７は本発明に係わるカッタービット固定翼板１４の旋回軌跡の一例を示す説明図である。
【００２４】
シールド筒１には送泥管３１と排泥管３２とが設けられ、カッタービット固定翼板１４を下方に向かって旋回させるときにはカッタービット固定翼板１４を図９に示すように掘削方向に進出させ、カッタービット固定翼板１４を上方に向かって旋回させるときにはカッタービット固定翼板１４を図１０に示すように掘削方向に対して後退させ、送泥管３１から泥水を切羽に供給することにより泥水を充満させて泥水圧を切羽に与えながら掘削を行う構成としたものであり、その他の構成は発明の実施の形態１と同一であるので、同一構成要素に同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２５】
【実施の形態３】
図１８は、本発明に係わるカッタービット固定翼板１４の他の形態を示す図であって、ここでは、一対のカッタービット固定翼板１４は、施工計画された横に長い断面楕円形状（たまご形状）のトンネルＴＲの掘削を効率よく行うことができるように、そのカッタービット固定翼板１４の輪郭部１４Ａの形状が、その横に長い断面たまご形状のトンネルＴＲの輪郭線に倣う形状とされており、旋回中心Ｑの近傍に削り残し箇所が生じないように出没制御可能なコピーカッター３３を設けた以外の構成は、発明の実施の形態１で説明した構成と大略同一であるので、同一構成要素に同一符号を付してその詳細な説明は省略することとする。
【００２６】
【実施の形態４】
図１９は、本発明に係わるカッタービット固定翼板１４の更に他の形態を示す図であって、ここでは、一対のカッタービット固定翼板１４は、施工計画された円形状のトンネルＴＲの掘削を効率よく行うことができるように、そのカッタービット固定翼板１４の輪郭部１４Ａの形状が、円形のトンネルＴＲの輪郭線に倣う形状とされている。その他の構成は、発明の実施の形態１で説明した構成と大略同一であるので、同一構成要素に同一符号を付してその詳細な説明は省略することとする。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、カッタービットが配列されたカッタービット固定翼板を揺動させる構成とし、かつ、カッタービット固定翼板に左右対称形状のトンネル断面の輪郭線に倣う形状の輪郭部を設け、この輪郭部に沿って多数のカッタービットを配列したので、施工計画された左右対称断面形状のトンネルの輪郭線部の地盤をこのカッタービットにより掘削してそのトンネルの輪郭線の形状を概略規定でき、更にコピーカッターにより削り残し部分を確実に無くせることになり、以て左右対称断面形状のトンネルの掘削を左右対称にバランスした状態で安定的に且つ効率よく行うことができる。
特に、掘削土が落下して排出口の近傍に自然に堆積する構造にしたものは、掘削土を効率よく外部に排出することができる。また、一対のカッタービット固定翼板が上から下に向かって旋回するときにカッタービットにより掘削を行い、下から上に向かって旋回するときにはカッタービットを掘削地盤に確実に当たらないようにしたものは、カッタービット固定翼板の下から上への戻り方向の旋回をスームズに行うことができる共に、重力を利用した効率的な掘削を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】横に長い長方形状のトンネルを掘削する土圧式のつばさ型シールド掘進機の縦断面図である。
【図２】図１のカッタービット固定翼板を矢印Ａ方向から見た半部分正面図である。
【図３】図１の矢印Ｂ−Ｂ線に沿う半部分断面図である。
【図４】図１の矢印Ｃ方向から見た半部分背面図である。
【図５】図１の矢印Ｄ−Ｄ線に沿う半部分断面図である。
【図６】図１に示すカッタービット固定翼板の旋回軌跡の一例を示す説明図であって、カッタービット固定翼板の旋回角度が２８度の状態を示す。
【図７】図１に示すカッタービット固定翼板の旋回軌跡の一例を示す説明図であって、カッタービット固定翼板の旋回角度が４５度の状態を示す。
【図８】図１に示すカッタービット固定翼板の旋回軌跡の一例を示す説明図であって、カッタービット固定翼板の旋回角度が６５度の状態を示す。
【図９】横に長い長方形状のトンネルを掘削する泥水式のつばさ型シールド掘進機の縦断面図であってカッタービット固定翼板がフロントシールド筒よりも前方に突出している状態を示す。
【図１０】図９のカッタービット固定翼板がフロントシールド筒に向かって引き込まれている状態を示す縦断面図である。
【図１１】図９のカッタービット固定翼板を矢印Ｅ方向から見た半部分正面図である。
【図１２】図９の矢印Ｆ−Ｆ線に沿う半部分断面図である。
【図１３】図９の矢印Ｇ方向から見た半部分背面図である。
【図１４】図９の矢印Ｈ−Ｈ線に沿う半断面図である。
【図１５】図９に示すカッタービット固定翼板の旋回軌跡の一例を示す説明図であって、カッタービット固定翼板の旋回角度が２８度の状態を示す。
【図１６】図９に示すカッタービット固定翼板の旋回軌跡の一例を示す説明図であって、カッタービット固定翼板の旋回角度が４５度の状態を示す。
【図１７】図９に示すカッタービット固定翼板の旋回軌跡の一例を示す説明図であって、カッタービット固定翼板の旋回角度が６５度の状態を示す。
【図１８】本発明に係わるカッタービット固定翼板の変形例を示す図であって、その輪郭部の形状を楕円形状の輪郭線に倣わせた状態を示す図である。
【図１９】本発明に係わるカッタービット固定翼板の他の変形例を示す図であって、その輪郭部の形状を円形状の輪郭線に倣わせた状態を示す図である。
【符号の説明】
１４        カッタービット固定翼板
１４Ａ      輪郭部
２１、２２  カッタービット
Ｏ          トンネル中心
Ｑ          旋回中心
ＴＲ        トンネル
ＲＬ        左右対称線
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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