(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールド本体の前部に、シールド本体の断面より小さい掘削面を有するカッタヘッドを配置し、
シールド本体にその幅を拡大縮小可能な胴部拡縮機構を設け、
前端部が前記カッタヘッドに回動自在に連結されるとともに後端部がシールド本体に回動自在に連結された複数本の伸縮アクチェータによりパラレルリンクマニピュレータを構成するカッタ駆動装置を設け、
前記カッタヘッドに掘削面の幅を拡大縮小可能なカッタ拡縮機構を設けた
ことを特徴とする拡縮式シールド掘進機。
【請求項２】
カッタ拡縮機構は、複数の分割カッタと、これら分割カッタの拡大時に分割カッタ間に露出して土留め可能な土留部材と、前記分割カッタを拡縮移動させるカッタ拡縮駆動装置とで構成された
ことを特徴とする請求項１記載の拡縮式シールド掘進機。
【請求項３】
カッタ拡縮機構は、接近離間移動してフレーム部を互いに嵌合することにより切削面の幅を拡大縮小可能な複数のカッタフレームと、これらカッタフレームを接近離間移動させるカッタ拡縮駆動装置とで構成されたことを特徴とする請求項１記載の拡縮式シールド掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カッタの駆動装置に複数本の伸縮アクチェータによるパラレルリンクマニピュレータを採用したシールド掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば道路や線路が分岐、合流するようなランプやプラットホームなどの出入口の地下道を構築する場合、トンネルの幅を順次拡張または縮小しつつ掘削する必要がある。しかし従来のシールド掘進機では、このようにトンネル幅を掘削途中に漸次変更できるものは無く、複数台のシールド掘進機を使用して広い幅のトンネルを掘削しておき、必要な空間のみを使用していた。
【０００３】
そこで本発明者等は、刃物の駆動範囲を任意に変更可能なパラレルリンクマニピュレータに着目し、これをカッタヘッドの駆動装置に採用したものを提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構成では、パラレルリンクマニピュレータにより、カッタヘッドの動作範囲を任意に変更できるため、掘削範囲の変更は自在であるが、切り羽面積が拡大された場合に、実際に掘削する切り羽面積に対するカッタヘッドが切り羽面に接触する掘削面積の割合が小さくなり、安定した掘削が不可能になるという問題があった。
【０００５】
本発明のうち請求項１記載の発明は、上記問題点を解決して、掘削するトンネルの断面積が拡大された場合でも、安定して掘削が可能な拡縮式シールド掘進機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１記載の発明は、シールド本体の前部に、シールド本体の断面より小さい掘削面を有するカッタヘッドを配置し、シールド本体にその幅を拡大縮小可能な胴部拡縮機構を設け、前端部が前記カッタヘッドに回動自在に連結されるとともに後端部がシールド本体に回動自在に連結された複数本の伸縮アクチェータによりパラレルリンクマニピュレータを構成するカッタ駆動装置を設け、前記カッタヘッドに掘削面の幅を拡大縮小可能なカッタ拡縮機構を設けたものである。
【０００７】
上記構成によれば、切り羽面の幅の広い大口径トンネルの掘削時には、カッタ拡縮機構によりカッタヘッドの掘削面積を拡大して、切り羽面に接触して土圧を保持する面積を拡大することができ、掘削する面積が増大しても安定した掘削を行うことができる。
【０００８】
また請求項２記載の発明は、カッタ拡縮機構は、複数の分割カッタと、これら分割カッタの拡大時に分割カッタ間に露出して土留め可能な土留部材と、前記分割カッタを拡縮移動させるカッタ拡縮駆動装置とで構成したものである。
【０００９】
上記構成によれば、カッタヘッドが拡大された状態でも分割カッタのない部分に土留部材が露出されて地山が保持されるので、切り羽面を広い範囲で保持して安定した掘削が可能となる。
【００１０】
さらに請求項３記載の発明は、上記構成のカッタ拡縮機構は、接近離間移動してフレーム部を互いに嵌合することにより切削面の幅を拡大縮小可能な複数のカッタフレームと、これらカッタフレームを接近離間移動させるカッタ拡縮駆動装置とで構成されたものである。
【００１１】
上記構成によれば、カッタフレームを離間移動して嵌め合わされたフレーム部を離脱させることにより、フレーム部を切削面に均一に配分配置することができ、掘削面の幅が拡大されても、フレーム部に設けられたカッタビットにより掘削面の掘削能力を均一化することができ、偏在することもない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る拡縮式シールド掘進機実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
【００１３】
図４〜図６に示すように、矩形断面のシールド本体１の前部には、カッタ駆動装置４，４にそれぞれ駆動される左右一対の矩形状カッタヘッド２，２が配設されている。このシールド本体１には胴部拡縮機構が装備されており、この胴部拡縮機構は、中央の固定胴部１Ａと、固定胴部１Ａに幅方向に出退自在に配置された可動胴部１Ｂ，１Ｂとで構成された胴部と、これら可動胴部１Ｂ，１Ｂを出退してシールド本体１の幅をＬｗとＬｓとの間で変更可能な胴部拡縮駆動装置である幅拡縮シリンダ３，３とで構成されている。
【００１４】
詳細に説明すると、前記固定胴部１Ａは、土圧保持用の圧力室６を形成するセンター隔壁１１と、天壁センタープレート１２および底壁センタープレート１３から構成されている。また可動胴部１Ｂは、センター隔壁１１の背面にスライド自在に配設されたサイド隔壁１４と、天壁センタープレート１２の上面にスライド自在に配置された天壁サイドプレート１５と、底壁センタープレート１３の下面にスライド自在に配置された底壁サイドプレート１６と、側壁スキンプレート１７とで構成されている。そして本体が固定胴部１Ａのセンター隔壁１１背面で支持ブロック２０に連結された幅拡縮シリンダ３，３の出力端が可動胴部１Ｂの側壁スキンプレート１７にそれぞれ連結されている。また、センター隔壁１１とサイド隔壁１４の摺接部と、天壁センタープレート１２および底壁センタープレート１３と天壁サイドプレート１５および底壁サイドプレート１６の摺接部には、それぞれシール部材が設けられている。
【００１５】
前記カッタヘッド２，２のカッタ駆動装置４，４は、図９〜図１２に示すように、それぞれ前端部が前記カッタヘッド２に回動自在に連結されるとともに後端部がシールド本体１の固定胴部１Ａのセンター隔壁１１に回動自在に連結された２本１組合計８本４組の伸縮アクチェータである油圧式カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈからなるパラレルリンクマニピュレータにより構成されている。
【００１６】
すなわち、カッタヘッド駆動装置４を構成するパラレルリンクマニピュレータは、８本のカッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈの基端部が、プラットホームであるセンター隔壁１１に正面視が縦長の長方形Ｒの角部近傍に回動継手２１を介して連結される。また、カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈの先端部（出力端）エンドエフェクタであるカッタヘッド２の背面に正面視が縦長の菱形Ｄの角部近傍に回動継手２２を介して連結される。
【００１７】
前記カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈの回動継手２１，２２は、球面継手や自在継手でもよいが、この実施の形態では左右方向に回動範囲が広く上下方向には狭いため、図１２に示すように、球面ブッシュ仕様の継手が使用される。すなわち、圧力隔壁４またはカッタヘッド２の取付部材２３に一対の固定ブラケット２４が突設され、またカッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈには固定ブラケット２４間に遊嵌される可動ブラケット２５が突設されている。そして可動ブラケット２５に形成された球面凹部２５ａ内に球面ブッシュ２６が回動自在に嵌合され、この球面ブッシュ２６にピン孔２６ａが形成されている。そして固定ブラケット２４のピン孔と球面ブッシュ２６のピン孔２６ａに支持ピン２７が貫通されて圧力隔壁４またはカッタヘッド２とカッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈとが連結されている。したがって、カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈは支持ピン２７を中心に左右方向に広い範囲で回動できるとともに、球面ブッシュ２６により支持ピン２７の軸心を含む面内で上下方向に狭い範囲で回動することができる。
【００１８】
本発明に係るカッタヘッド２は、図１〜図３に示すように、シールド本体１の断面の半分より小さい掘削面を有し、カッタ拡縮機構３１により、その横幅を拡大縮小可能に構成されている。このカッタ拡縮機構３１は、カッタヘッド２が左右に分割された分割カッタ３２，３２と、これら分割カッタ３２，３２の収納凹部３２ａ内にスライド自在に内蔵され拡大時に分割カッタ３２，３２間に露出して土留め可能な土留部材３３により構成され、土留部材３３の上下位置に分割カッタ３２，３２を拡縮移動させるカッタ拡縮駆動装置である２本１組のカッタ拡縮シリンダ３４がそれぞれ設けられている。
【００１９】
前記分割カッタ３２は、矩形の枠フレーム３５内に複数の柱状フレーム３６が一定間隔ごとに斜め格子状に連結配置されて形成され、柱状フレーム３６間および柱状フレーム３６と枠フレーム３５とに囲まれた貫通空間が土砂取り入れ口３７に形成されている。そして、枠フレーム３５の外周部と柱状フレーム３６の前面に所定間隔毎に多数のカッタビット３８，３９が突設されている。また、土留部材３３は板体状で、分割カッタ３２の縮小時に土砂取り入れ口３７と重なり合う連通孔３３ａが形成されている。そして土留部材３３の上辺部と下辺部に、出力ロッドがそれぞれ分割カッタ３２に連結された２本のカッタ拡縮シリンダ３４が配設されている。
【００２０】
したがって、シールド本体１の幅の拡幅に対応してカッタ拡縮シリンダ３４により分割カッタを外側に変位させることにより、掘削面積を拡大して切り羽面への接触面積を増大することができ、安定した掘削が可能となる。なお、カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈの先端部は、分割カッタ３２の背面に４本ずつが連結され、分割カッタ３２の拡大移動によりカッタヘッド２の支持位置が変位するが、カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈの制御により容易にカッタヘッド２を正常姿勢に保持して掘削駆動することができる。
【００２１】
図４に示すように、前記シールド本体１のセンター隔壁１１には、送泥管７Ａと排泥管７Ｂが貫通して接続されるとともに、土砂攪拌用のアジテータ８が設けられている。また図７に示すように、シールド本体の後部にはセグメントＳを組み立てるエレクタ装置９が配設されている。このエレクタ装置９は、上下レール４１に案内されて幅方向にシフト自在な可動フレーム４２に、シールド軸心周りに旋回自在な旋回フレーム４３が配置され、この旋回フレーム４３に回動リンクアーム４４を介してセグメント保持装置４５が外周側に出退自在に設けられている。そして、拡縮されるシールド本体１の幅に対応して複数種類のセグメントＳを組み合わせて漸次拡幅または縮幅する一次覆工体を構築することができる。またシールド本体１の後部には、エレクタ装置９により組み立てられた既設セグメントＳを反力受けとしてシールド本体１を推進させる複数の推進ジャッキ１０が設けられている。なお、この推進ジャッキ１０は、シールド本体１の拡縮幅に対応して必要に応じて増設または撤去される。
【００２２】
上記構成において、狭い幅から広い幅のトンネルを掘削する場合には、図示しないカッタ駆動制御装置により油圧ポンプから供給排出する圧油が制御されて各カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈが伸縮制御され、カッタヘッド２．２がそれぞれシールド軸心に直交する面内で左右方向および上下方向に相対して往復または周回移動され、カッタビット３４，３５により地山を掘削する。この時の掘削反力は、カッタヘッド２，２が相対方向に駆動されることにより、カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈを介してシールド本体１で相殺されて減衰される。そして、掘削土砂は土砂取り入れ口３７から圧力室６内に取り込まれ、送泥管７Ａから供給された泥水等と混合されてアジテータ８により攪拌され、適度な流動性が付与された後、排泥管７Ｂから排出される。またカッタヘッド２，２は各カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈを伸縮制御することにより、土質や掘削状況に応じて前後方向に平行移動させたり、またシールド軸心に直交する面に対して傾動させる動作を挿入することにより、良好に掘削することができる。
【００２３】
そして、カッタヘッド２，２の駆動ストロークを漸次側部外方に広げて幅の広いトンネルを掘進させる。この時、必要に応じてカッタ拡縮シリンダ３４を進展して分割カッタ３２を離間移動させることにより、掘削面の横幅を拡大して切り羽面への接触面積を拡大させ、安定して掘削させることができる。そしてこのトンネル幅に合わせて幅拡縮シリンダ３を進展させ、可動胴部１Ｂ，１Ｂをそれぞれ外方に突出移動させる。そしてエレクタ装置９により、トンネル幅に合わせてセグメントＳを組み立てて一次覆工し、組み立てられたセグメントＳを反力受けとして推進ジャッキ１０を進展させシールド本体１を前進させる。これを繰り返して漸次幅が広くなるトンネルを掘削する。さらに可動胴部１Ｂ，１Ｂが所定量突出されると、推進ジャッキ１０が新たに組み入れられる。
【００２４】
また広い幅から狭い幅のトンネルを掘削する場合も上記と逆の手順で掘削することができる。また途中で掘削幅が広がったり狭まったりするトンネルの場合にも容易に対応することができ、連続した掘削が可能である。
【００２５】
上記実施の形態によれば、カッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈによりパラレルリンクマニピュレータを構成するカッタ駆動装置４，４によりそれぞれ駆動されて漸次縮小または拡大して掘削される切り羽面にあわせて、カッタヘッド２の掘削面を縮小または拡大することができるので、切り羽面を広く保持しつつ掘削することができ、漸次縮小または拡大されるトンネルを安定して掘削することができる。
【００２６】
また、左右一対のカッタヘッド２，２を相対方向に駆動して地山を掘削することで掘削反力を相殺することができ、シールド本体１の姿勢を安定させることができる。
【００２７】
さらに、カッタ駆動装置４のカッタ駆動シリンダ５Ａ〜５Ｈを８本でパラレルリンクマニピュレータを構成したので、矩形のカッタヘッド２を４箇所で安定して支持および動力伝達することができる。
上記実施の形態では、カッタヘッド２を正面視が斜め格子状に形成したが、図１３，図１４に、矩形状土砂取り入れ口５７を形成した第２の実施の形態を示す。
【００２８】
すなわちこのカッタ拡縮機構５１は、先の実施の形態と同一構成で、カッタヘッド５０が左右に分割された分割カッタ５２，５２と、これら分割カッタ５２，５２内にスライド自在に内蔵され拡大時に分割カッタ５２，５２間に露出して土留め可能な土留部材５３により構成され、土留部材５３の上下位置に分割カッタ５２，５２を拡縮移動させるカッタ拡縮駆動装置である２本１組のカッタ拡縮シリンダ５４がそれぞれ設けられている。
【００２９】
前記分割カッタ５２は、矩形状面板フレーム５５内に複数の横長または縦長矩形状の土砂取り入れ口５７が形成されている。そして面板フレーム５５の外周部と前面に所定間隔毎に多数のカッタビット５８，５９が突設されている。また、土留部材５３は板体状で、分割カッタ５２の縮小時に土砂取り入れ口５７と重なり合う連通孔５３ａが形成されている。そして土留部材３３の上辺部と下辺部に、出力ロッドがそれぞれ分割カッタ５２に連結された２本のカッタ拡縮シリンダ５４が配設されている。
【００３０】
図１５〜図１８は、カッタ拡縮機構６１の第３の実施の形態を示し、垂直フレーム部６２ａに複数本の水平フレーム部６２ｂが一定間隔ごとにクロス状に取り付けられた分割カッタであるセンターカッタフレーム６２と、サイドフレーム部６３ａに櫛刃フレーム部６３ｂが突設された分割カッタである左右一対の櫛刃形サイドカッタフレーム６３，６３とが、互いに遊嵌されてカッタヘッド６０が形成され、水平フレーム部６２ｂと櫛刃フレーム部６３ｂとの空間部が土砂取り入れ口６７に形成されている。そして、上下位置の水平フレーム部６２ｂにサイドカッタ６３，６３をセンターカッタフレーム６２に接近離間させるカッタ拡縮シリンダ６４，６４がそれぞれ配設されている。センターカッタフレーム６２の水平フレーム部６２ｂは先端部に補強フレーム部６２ｃが連結され、またサイドカッタフレーム６３の櫛刃フレーム部６３ｂ先端部間にも補強フレーム部６３ｃが連結されている。そして、センターカッタフレーム６２の前面とサイドカッタフレーム６３の外周面および前面にそれぞれカッタビット６８，６９が取り付けられている。
【００３１】
上記第３の実施の形態によれば、土砂取り入れ口６７をあけて互いに遊嵌可能なフレーム部６２ｂ，６２ｃ，６３ｂを有するセンターカッタフレーム６２とサイドカッタフレーム６３，６３により、掘削面の横幅を拡大縮小可能に構成したので、拡大時であっても掘削面にカッタビット６９をほぼ均等に配置することができ、掘削面全体に均一な掘削能力を得ることができ、掘削能力が偏ることがない。さらに、掘削面積の拡大とともに土砂取り入れ口６７の面積も拡大させることができ、好都合となる。
【００３２】
図１９〜図２０は、カッタ拡縮機構７１の第３の実施の形態を示し、左右一対のカッタフレームである櫛刃状カッタフレーム７２，７２によりカッタヘッド７０が形成され、これら櫛刃状カッタフレーム７２，７２を接近離間移動するカッタ拡縮駆動装置である上下一対のカッタ拡縮シリンダ７４，７４が設けられたものである。
【００３３】
すなわち櫛刃状カッタフレーム７２は、サイドフレーム部７２ａの上端部および下端部には端部櫛刃フレーム部７２ｂが設けられると共に、これら端部櫛刃フレーム部７２ａ間に所定の隙間をあけて互いに噛み合う中間櫛刃フレーム部７２ｃが設けられ、櫛刃フレーム部７２ｂ，７２ｃ間の空間に土砂取り入れ口７７が形成される。そして上下の中間櫛刃フレーム７２ｃにはカッタ拡縮シリンダ７４がそれぞれ内蔵されて出力ロッド７４ａが対向する櫛刃状カッタ７２のサイドフレーム部７２ａに連結され、それ以外の中間櫛刃フレーム部７２ｃには軸心部にガイド孔７２ｄが形成されて、対向する櫛刃状カッタ７２のサイドフレーム部７２ａに連結されたガイドロッド７２ｅがそれぞれスライド自在に嵌合されている。そして、各サイドフレーム部７２ａと端部櫛刃フレーム部７２ｂの外周面と前面にカッタビット７８，７９が突設され、中間櫛刃フレーム部７２ｃの前面にカッタビット７９が突設されている。
【００３４】
したがって、カッタ拡縮シリンダ７４を伸縮させることにより、櫛刃状カッタフレームを互いに接近離間移動させて掘削面の幅を左右に拡大縮小することができ、広がる土砂取り入れ口７７には、出力ロッド７４ａとガイドロッド７２ｅが拡大した土砂取り入れ空間に横断状態で露出するため、土留部材の役割を果たして安定した掘削が可能となる。また、横幅の拡大時にはカッタビット７９が均一に分散されるため、掘削面全面にわたって均等な掘削能力が得られる。さらに、掘削面積の拡大とともに土砂取り入れ口７７の面積も拡大させることができ、好都合となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に述べたごとく本発明の請求項１記載の発明によれば、切り羽面の幅の広い大口径トンネルの掘削時には、カッタ拡縮機構によりカッタヘッドの掘削面積を拡大して、切り羽面に接触して土圧を保持する面積を拡大することができ、掘削する面積が増大しても安定した掘削を行うことができる。
【００３６】
また請求項２記載の発明によれば、カッタヘッドが拡大された状態でも分割カッタのない部分に土留部材が露出されて地山が保持されるので、切り羽面を広い範囲で保持して安定した掘削が可能となる。
さらに請求項３記載の発明によれば、カッタフレームを離間移動して嵌め合わされたフレーム部を離脱させることにより、フレーム部を切削面に均一に配分配置することができ、掘削面の幅が拡大されても、フレーム部に設けられたカッタビットにより掘削面の掘削能力を均一化することができ、偏在することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る拡縮式シールド掘進機の第１の実施の形態を示すカッタヘッドの拡大状態の正面図である。
【図２】同カッタヘッドの縮小状態を示す正面図である。
【図３】図１に示すＩ−Ｉ断面図である。
【図４】同シールド掘進機の縦断面図である。
【図５】同シールド本体の構成を示す分解斜視図である。
【図６】同シールド掘進機の一部切欠き平面図である。
【図７】同シールド掘進機の背面図である。
【図８】同シールド掘進機の拡大状態の背面図である。
【図９】同シールド掘進機のカッタ駆動装置の基本構成を示す正面図である。
【図１０】同カッタ駆動装置を示す縮小状態の平面断面図である。
【図１１】同カッタ駆動装置を示す拡大状態の平面断面図である。
【図１２】同カッタ駆動装置の回動継手を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る拡縮式シールド掘進機の第２の実施の形態を示すカッタヘッドの拡大状態の正面図である。
【図１４】同カッタヘッドの縮小状態の正面図である。
【図１５】本発明に係る拡縮式シールド掘進機の第３の実施の形態を示すカッタヘッドの拡大状態の正面図である。
【図１６】同カッタヘッドの縮小状態の正面図である。
【図１７】図１５に示すII-II断面図である。
【図１８】図１６に示すIII −III 断面図である。
【図１９】本発明に係る拡縮式シールド掘進機の第４の実施の形態を示すカッタヘッドの拡大状態の正面図である。
【図２０】同カッタヘッドの縮小状態の正面図である。
【図２１】図１９に示すIV−IV断面図である。
【図２２】図１９に示すＶ−Ｖ断面図である。
【図２３】図２０に示すVI−VI断面図である。
【符号の説明】
１    シールド本体
１Ａ  固定胴部
１Ｂ  可動胴部
２，５０，６０，７０  カッタヘッド
３    幅拡縮シリンダ
４    カッタ駆動装置
５Ａ〜５Ｈ  カッタ駆動シリンダ
６    圧力室
３１，５１，６１，７１  カッタ拡縮機構
３２，５２  分割カッタ
３３，５３  土留部材
３３ａ，５３ａ  連通孔
３４，５４，６４，７４  カッタ拡縮シリンダ
３７，５７，６７，７７  土砂取り入れ口
３８，５８，６８，７８  カッタビット
３９，５９，６９，７９  カッタビット
６２    サイドカッタフレーム
６３    センターカッタフレーム
７２    櫛刃状カッタフレーム
【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】
0003778653.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
0003778653.tif 000020
【図２０】
0003778653.tif 000021
【図２１】
0003778653.tif 000022
【図２２】
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【図２３】
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