(57)【要約】【課題】透水性を確保しつつ、地山を保持可能な地下水の流動阻害を防止する通水構造及び裏込材を提供する。【解決手段】地下水の流動阻害を防止する通水構造１は、トンネル３の内周とセグメント５の外周との間に、砂、礫、スラグ等からなる骨材１１のみが互いに接触するように充填されてなり、トンネル３よりも上流側の地下水をトンネル３よりも下流側に通水するための機能を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネルの構築による地下水の流動阻害を防止する通水構造であって、
前記トンネルの内周と覆工体の外周との間に、骨材のみが互いに接触するように充填されてなることを特徴とする地下水の流動阻害を防止する通水構造。
【請求項２】
前記トンネルの内周径と覆工体の外周径との差の大きさは、地山内の地下水の流量に応じて調整されることを特徴とする請求項１に記載の地下水の流動阻害を防止する通水構造。
【請求項３】
前記骨材は、時間の経過とともに消失する増粘材と混合して流動状態で充填されることを特徴とする請求項１又は２に記載の地下水の流動阻害を防止する通水構造。
【請求項４】
前記骨材は、前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との隙間に占める前記骨材の体積割合が前記地山内の土粒子の体積割合と同等となるように充填されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の地下水の流動阻害を防止する通水構造。
【請求項５】
前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が８５％の粒径値で除して算出された目詰まり性能値が所定値よりも小さくなる粒度分布を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の地下水の流動阻害を防止する通水構造。
【請求項６】
前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値で除して算出された透水性能値が所定値よりも大きくなる粒度分布を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の地下水の流動阻害を防止する通水構造。
【請求項７】
トンネルの内周と覆工体の外周との間に充填される裏込材であって、
骨材と、時間の経過とともに消失する増粘材とを含み、前記骨材は、前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との隙間に占める前記骨材の体積割合が地山内の土粒子の体積割合と同等になるように混合されていることを特徴とする裏込材。
【請求項８】
前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が８５％の粒径値で除して算出された目詰まり性能値が所定値よりも小さくなる粒度分布を有することを特徴とする請求項７に記載の裏込材。
【請求項９】
前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値で除して算出された透水性能値が所定値よりも大きくなる粒度分布を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の裏込材。
【請求項１０】
トンネルの構築による地下水の流動阻害を防止する方法において、
前記トンネルの内側に覆工体を構築し、
前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との間に骨材と、時間の経過とともに消失する増粘材とを含む裏込材を充填し、
前記裏込材内に含まれる前記増粘材が時間の経過とともに消失することにより、地下水を通水可能にすることを特徴とする地下水の流動阻害を防止する方法。
【請求項１１】
前記トンネルの内周径と覆工体の外周径との差の大きさは、地山内の地下水の流量に応じて調整されることを特徴とする請求項１０に記載の地下水の流動阻害を防止する方法。
【請求項１２】
前記骨材は、前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との隙間に占める前記骨材の体積割合が前記地山内の土粒子の体積割合と同等となるように充填することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の地下水の流動阻害を防止する方法。
【請求項１３】
前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が８５％の粒径値で除して算出された目詰まり性能値が所定値よりも小さくなる粒度分布を有することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の地下水の流動阻害を防止する方法。
【請求項１４】
前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値で除して算出された透水性能値が所定値よりも大きくなる粒度分布を有することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の地下水の流動阻害を防止する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下構造物を構築することにより生じる地下水の流動阻害を防止する通水構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤内にトンネルを構築し、トンネルの内周と覆工体との間に不透水性の裏込材を充填すると地下水の流動を阻害してしまい、下流側の地下水位が低下して地盤沈下や井戸枯れが生じてしまう。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１には、図６及び図７に示すように、セメント等のコンクリートの基材Ａ、Ｂと、生分解性を有し、繊維を主成分とする空洞形成材とを混合してトンネル壁Ｃを構築し、その後、空洞形成材が消出することによりトンネル壁内に生じた隙間Ｄに地下水を通過させることにより、上流側の地下水を下流側に流す方法が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、シールドトンネルの内周と覆工体との間に、砂や礫と、植物繊維を主成分として生分解性を有する増粘材とを含む裏込材を充填し、その後、増粘材が消失することにより生じた隙間に地下水を通過させることにより、上流側の地下水を下流側に流す方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２７７１６４号公報
【特許文献２】特開２００１−３０３８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、裏込材を充填した後に繊維の分布が不均一となり、この繊維を主成分とする空洞形成材が消失すると空洞の多い箇所と空洞の少ない箇所が生じてしまう。すると、透水性が良い場所と悪い場所が存在することとなり、透水性が確保できないという問題点があった。
【０００６】
また、特許文献１及び特許文献２に記載の方法では、増粘材又は空洞形成材が消失すると裏込材内に空洞が生じるので、地山を十分に保持できなくなるという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、透水性を確保しつつ、地山を保持可能な地下水の流動阻害を防止する通水構造及び裏込材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】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明の地下水の流動阻害を防止する通水構造は、トンネルの構築による地下水の流動阻害を防止する通水構造であって、前記トンネルの内周と覆工体の外周との間に、骨材のみが互いに接触するように充填されてなることを特徴とする（第１の発明）。  
本発明による地下水の流動阻害を防止する通水構造によれば、トンネルの内周と覆工体との間に、砂、礫、スラグ等の骨材のみが互いに接触するように充填されているので、地山を確実に保持し、地山の崩落を防止することが可能となる。したがって、地表面が沈下することが無い。  
また、骨材間には地下水が通過可能な隙間が存在するので、トンネルの上流側の地下水を下流側に通水することができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記トンネルの内周径と覆工体の外周径との差の大きさは、地山内の地下水の流量に応じて調整されることを特徴とする。  
本発明による地下水の流動阻害を防止する通水構造によれば、地山内の地下水の流量に応じてトンネルの内周径と覆工体の外周径との差の大きさを調整するので、トンネルを構築する前と同量の地下水を下流側へ通水することができる。つまり、地下水の流量が多い場合は、トンネルの内周径と覆工体の外周径との差を大きくして大量の地下水を通水できるようにし、流量が少ない場合は、トンネルの内周径と覆工体の外周径との差を小さくして少量の地下水を通水できるようにして、上流側の地下水をすべて下流側に通水することができる。
【００１０】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記骨材は、時間の経過とともに消失する増粘材と混合して流動状態で充填されることを特徴とする。  
本発明による地下水の流動阻害を防止する通水構造によれば、時間の経過とともに消失する増粘材と骨材とを混合して流動状態で充填するので、一般的な裏込材の充填方法、例えば、ポンプ等を用いた圧入方法で充填することができる。したがって、充填作業を容易に行うことができる。
【００１１】
第４の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、前記骨材は、前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との隙間に占める前記骨材の体積割合が前記地山内の土粒子の体積割合と同等となるように充填されることを特徴とする。  
本発明による地下水の流動阻害を防止する通水構造によれば、骨材を地山内の土粒子の体積割合と同等となるように、トンネルの内周と覆工体の外周との隙間に充填するので、充填された骨材は地山と同程度の圧縮強度を有することとなり、これにより地山を保持することができる。
【００１２】
第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明において、前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が８５％の粒径値で除して算出された目詰まり性能値が所定値よりも小さくなる粒度分布を有することを特徴とする。  
本発明による地下水の流動阻害を防止する通水構造によれば、骨材の粒径加積曲線における加積通過率が１５％の粒径値を地山内の土砂の粒径加積曲線における加積通過率が８５％の粒径値で除して算出された目詰まり性能値が所定値よりも小さくなる粒度分布を有する骨材を用いるので、目詰まりがほとんど生じない。したがって、長期間にわたって地下水を通水することができる。
【００１３】
第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明において、前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値で除して算出された透水性能値が所定値よりも大きくなる粒度分布を有することを特徴とする。  
本発明による地下水の流動阻害を防止する通水構造によれば、骨材の粒径加積曲線における加積通過率が１５％の粒径値を地山内の土砂の粒径加積曲線における加積通過率が１５％の粒径値で除して算出された透水性能値が所定値よりも大きくなる粒度分布を有する骨材を用いるので、骨材は地下水の通水を遮ることが無い。したがって、地下水は隙間を通水することができる。
【００１４】
第７の発明の裏込材は、トンネルの内周と覆工体の外周との間に充填される裏込材であって、骨材と、時間の経過とともに消失する増粘材とを含み、前記骨材は、前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との隙間に占める前記骨材の体積割合が地山内の土粒子の体積割合と同等になるように混合されていることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明において、前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が８５％の粒径値で除して算出された目詰まり性能値が所定値よりも小さくなる粒度分布を有することを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、第７又は８の発明において、前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値で除して算出された透水性能値が所定値よりも大きくなる粒度分布を有することを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明の地下水の流動阻害を防止する方法は、トンネルの構築による地下水の流動阻害を防止する方法において、前記トンネルの内側に覆工体を構築し、前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との間に骨材と、時間の経過とともに消失する増粘材とを含む裏込材を充填し、前記裏込材内に含まれる前記増粘材が時間の経過とともに消失することにより、地下水を通水可能にすることを特徴とする。
【００１８】
第１１の発明は、第１０の発明において、前記トンネルの内周径と覆工体の外周径との差の大きさは、地山内の地下水の流量に応じて調整されることを特徴とする。
【００１９】
第１２の発明は、第１０又は１１の発明において、前記骨材は、前記トンネルの内周と前記覆工体の外周との隙間に占める前記骨材の体積割合が前記地山内の土粒子の体積割合と同等となるように充填することを特徴とする。
【００２０】
第１３の発明は、第１０〜１２のいずれかの発明において、前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が８５％の粒径値で除して算出された目詰まり性能値が所定値よりも小さくなる粒度分布を有することを特徴とする。
【００２１】
第１４の発明は、第１０〜１３のいずれかの発明において、前記骨材は、前記骨材の粒径分布を示す粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値を、前記地山内に存在する土砂の粒径加積曲線の加積通過率が１５％の粒径値で除して算出された透水性能値が所定値よりも大きくなる粒度分布を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の地下水の流動阻害を防止する通水構造を用いることにより、透水性を確保しつつ、地山を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る地下水の流動阻害を防止する通水構造の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本実施形態においては、シールド工法を用いてトンネルを構築する場合について説明するが、この工法に限定されるものではなく、トンネルを構築する工法全般に適用可能である。
【００２４】
図１は、本実施形態に係る地下水の流動阻害を防止する通水構造１を備えたトンネル３の軸方向に対して垂直な断面を示す図である。  
図１に示すように、地下水の流動阻害を防止する通水構造１は、トンネル３の内周と覆工体であるセグメント５の外周との間に、砂、礫、スラグ等からなる骨材１１のみが互いに接触するように充填されてなり、トンネル３よりも上流側の地下水をこの骨材１１間に形成されている隙間１２を介して、トンネル３よりも下流側に通水するための機能を備える。
【００２５】
セグメント５は、シールド機１３により地山２を掘削している間にシールド機１３内のテール部２７（後述する）で、複数のセグメントピースをトンネル３の内周面に沿って周方向及び長手方向に連結して構築される。そして、シールド機１３が推進するとセグメント５がその位置に残置され、骨材１１を介してシールド機１３により掘削されたトンネル３を支持する。本実施形態においては、セグメント５として鋼製セグメントを用いた。
【００２６】
骨材１１は、目詰まりの式及び透水性の式（実例・経験に基づく掘削のための地下水調査法、高橋賢之助著、発行所：山海堂、１９９０年１０月３０日発行）を満たすものを選定して用いる。以下に、骨材１１の選定方法を示す。
【００２７】
まず、地山２に存在する土砂をサンプリングし、この土砂を篩にかけて粒度分布を測定する。そして、この測定結果に基づいて、（１）式の目詰まりの式を満たす粒度分布の骨材１１を選定する。目詰まりの式を（１）式に示す。  
Ｄｆ１５／Ｄｅ８５  ＜  ５・・・（１）
ここで、Ｄｆ１５：骨材１１の粒径加積曲線における加積通過率が１５％の粒径値、Ｄｅ８５：地山２に存在する土砂の粒径加積曲線における加積通過率が８５％の粒径値である。  
この（１）式を満たす粒度分布の骨材１１を用いることにより、地下水とともに流入してくる地山２の土砂分が少なくなり、骨材１１間の目詰まりをほとんど生じない。
【００２８】
次に、（１）式を満たす骨材１１のなかから、さらに（２）式の透水性の式を満たす粒度分布の骨材１１を選定する。透水性の式を（２）式に示す。  
Ｄｆ１５／Ｄｅ１５  ＞  ５・・・（２）
ここで、Ｄｅ１５：地山２に存在する土砂の粒径加積曲線における加積通過率が１５％の粒径値である。  
この（２）式を満たす粒度分布の骨材１１を用いることにより、地下水の流入を妨げることが無く、地下水は骨材１１間を容易に通水することができる。また、これら（１）式及び（２）式の両方を満たす範囲内で粒度分布を変更することによって、通水構造１の通水量を調整することができる。
【００２９】
そして、（１）式及び（２）式の両方を満たす骨材１１を、時間の経過とともに消失する増粘材８と混合して裏込材９を作製し、トンネル３の内周とシールド機１３の外周との間に形成される空隙部７に充填する。このとき骨材１１は、空隙部７に占める骨材１１の体積割合が地山２内の土粒子の体積割合と同等になるように配合されている。つまり、裏込材９に占める増粘材８の体積割合が地山２の間隙率（例えば、一般的な砂層の場合約３０〜６０％程度）と同程度になるように混合する。
【００３０】
また、増粘材８は、水に希釈されて消失したり、生分解性を有するために、時間が経過すると水と空気に分解されて消失し、空隙部７中に残存せず、環境に負荷をかけない。
【００３１】
次に、本発明の裏込材９の充填方法について施工手順にしたがって説明する。  
図２は、本実施形態に係るシールド機１３の側断面図である。図２に示すように、シールド機１３は、地中を掘削するためのカッター１５を備えたフード部１７と、カッター１５の駆動装置１９、このカッター１５により掘削された土砂を排出するための排土機構（図示しない）、及びシールド機１３を前進させるための複数のシールドジャッキ２１を備えたガーダ部２３と、シールドジャッキ２１によりガーダ部２３と連結され、セグメント５を組み立てるためのエレクタ２５を備えたテール部２７とから構成されている。
【００３２】
セグメント５の内方には、このセグメント５の内側から空隙部７に裏込材９を注入するための注入孔２９と、一端が各注入孔２９にそれぞれ接続される注入管３１と、これらの注入管３１の他端に接続され、各注入管３１及び各注入孔２９を介して空隙部７に裏込材９を供給する注入装置３３と、各注入孔２９付近に設けられ、空隙部７内の圧力を測定する圧力計（図示しない）とが設けられている。注入孔２９は、例えば、各セグメントピースに１箇所ずつ設けられる。
【００３３】
注入装置３３は、裏込材９を貯留するためのタンク３７と、タンク３７に貯留された裏込材９を注入管３１へ送給するための充填材用注入ポンプ３９とを備えている。
【００３４】
各注入管３１には開閉バルブ３５が接続されており、各開閉バルブ３５の開閉により、裏込材９を注入する注入孔２９を個別に選択することができる。
【００３５】
図３は、本実施形態に係るシールド機１３にて地山２を掘削した状態を示すトンネル３の側断面図である。
【００３６】
上記のように構成したシールド機１３にてトンネル３を掘削すると、図３に示すように、カッター１５による掘削径はシールド機１３の径よりもやや大きいために、セグメント５の外周面と地山２との間に空隙部７が生じる。この空隙部７を放置すると周辺の地山２が緩み、地山２が空隙部７で崩落する可能性があるために、空隙部７に裏込材９を充填する。
【００３７】
余堀掘削の余堀厚さ（つまり、空隙部７の厚さ）は、地山２内の地下水の流量に応じて調整する。つまり、地下水の流量が多い場合は、余堀厚さを厚くして大量の地下水を通水できるようにし、地下水の流量が少ない場合は、余堀厚さを薄くして通水できる地下水が少量となるようにして、上流側の地下水をすべて下流側に通水する。
【００３８】
図４は、本実施形態に係る空隙部７に裏込材９を充填した状態を示すトンネル３の側断面図である。図４に示すように、タンク３７内で流動状態にされた裏込材９を充填材用注入ポンプ３９にて供給し、注入管３１及び注入孔２９を介して空隙部７に注入する。裏込材９を注入する際は、注入圧を圧力計にて常時監視し、充填材用注入ポンプ３９にて圧力を調整する。セグメント５に設けられた注入孔２９からそれぞれ裏込材９が空隙部７に注入されるために、セグメント５の全外周にわたって良好に裏込材９の注入が行われる。
【００３９】
裏込材９を注入する際は、注入圧が土被り圧よりやや高めの圧力となるように圧力計にて確認しながら注入するとともに、地表面の変状に応じて適宜圧力を調整し、地山２の変形を防止する。
【００４０】
図５は、本実施形態に係る裏込材９に含まれる増粘材８が消失して骨材１１のみが充填された部分を拡大して示すトンネル３の側断面図である。図５に示すように、裏込材９に含まれる増粘材８は、水に希釈されて消失したり、生分解性を有するために、時間が経過すると水と空気に分解されて消失し、骨材１１のみが互いに接するように残置される。そして、増粘材８が消失したことにより、骨材１１間に形成された隙間１２を地下水が通過可能となる。残置された骨材１１は、セグメント５の外周とトンネル３の内周との間から流出することが無く、また、所定の一軸圧縮強度を有するために、地山２を保持してその崩落を防止する。
【００４１】
以上説明した本実施形態における地下水の流動阻害を防止する通水構造１によれば、骨材１１は、時間の経過とともに消失する増粘材８と混合して流動状態で空隙部７に充填されるので、一般的な裏込材の充填方法、例えば、ポンプ等を用いた圧入方法で充填することができる。したがって、充填作業を容易に行うことができる。
【００４２】
また、トンネル３の内周とセグメント５の外周との間に、砂、礫、スラグ等の骨材１１のみが互いに接触するように充填されているので、地山２を確実に保持し、地山２の崩落を防止することが可能となる。したがって、地表面が沈下することが無い。
【００４３】
そして、骨材１１を地山２内の土粒子の体積割合と同等となるように充填しているので、充填された骨材１１は地山２と同程度の圧縮強度を有することとなり、これにより地山２を保持することができる。
【００４４】
さらに、骨材１１間には地下水が通過可能な隙間１２が存在するので、トンネル３の上流側の地下水を下流側に通水することができる。また、骨材１１の粒度を目詰まりの式を満たすように調整しているので、骨材１１間に目詰まりがほとんど生じない。したがって、長期間にわたって地下水を通水することができる。さらに、骨材１１の粒度を透水性の式を満たすように調整しているので、骨材１１は地下水の通水を遮ることが無く、地下水は骨材１１間を容易に通水することができる。
【００４５】
また、地山２内の地下水の流量に応じて余堀の厚さを調整するので、トンネル３を構築する前と同様の地下水量を下流側へ通水することができる。つまり、地下水の流量が多い場合は、余堀厚さを厚くし、流量が少ない場合は、余堀厚さを薄くすることにより、上流側の地下水をすべて下流側に通水することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態に係る地下水の流動阻害を防止する通水構造を備えたトンネルの軸方向に対して垂直な断面を示す図である。
【図２】本実施形態に係るシールド機の側断面図である。
【図３】本実施形態に係るシールド機にて線路の下方を掘削した状態を示すトンネルの側断面図である。
【図４】本実施形態に係る空隙部に裏込材を充填した状態を示すトンネルの側断面図である。
【図５】本実施形態に係る裏込材に含まれる増粘材が消失して骨材のみが充填された部分を拡大して示すトンネルの側断面図である。
【図６】従来例を示す図である。
【図７】従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  流動阻害を防止する通水構造
２  地山
３  トンネル
５  セグメント
７  空隙部
８  増粘材
９  裏込材
１１  骨材
１２  隙間
１３  シールド機
１５  カッター
１７  フード部
１９  駆動装置
２１  シールドジャッキ
２３  ガーダ部
２５  エレクタ
２７  テール部
２９  注入孔
３１  注入管
３３  注入装置
３５  開閉バルブ
３７  タンク
３９  充填材用注入ポンプ
【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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