JP2007100316A - シールド掘進機 - Google Patents
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Abstract
【課題】単純な機構でトンネルを拡幅することができ、かつコンパクト化を図ることができるシールド掘進機を提供する。
【解決手段】筒体状の外殻を形成するスキンプレート2と、該スキンプレート2の切羽側に位置されて回転駆動自在に設けられた中央カッタ4と、該中央カッタ4の外周部に、その周方向に沿って分割されてそれぞれの基端部が枢支され且つ先端部が上記スキンプレート2の前端部に延出されて設けられた外周カッタ5と、該外周カッタ5をその枢支軸廻りに先端部を径方向外方に展開移動させて拡径する外周カッタ拡径手段6とを備えたものである。
【選択図】図1
【解決手段】筒体状の外殻を形成するスキンプレート2と、該スキンプレート2の切羽側に位置されて回転駆動自在に設けられた中央カッタ4と、該中央カッタ4の外周部に、その周方向に沿って分割されてそれぞれの基端部が枢支され且つ先端部が上記スキンプレート2の前端部に延出されて設けられた外周カッタ5と、該外周カッタ5をその枢支軸廻りに先端部を径方向外方に展開移動させて拡径する外周カッタ拡径手段6とを備えたものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、トンネルに拡幅部を形成可能なシールド掘進機に関するものである。
トンネルを掘削する場合に、非常駐車帯やランプ合流部などを構築するために、トンネルの一部を拡幅させることがある。一般に、そのような拡幅作業はシールド掘進機などの機械により施工される。特に大深度トンネルなどでは拡幅作業が高水圧下で行われることになるため、安全上、機械で施工することが望ましい。
従来、トンネルの拡幅部を掘削可能なシールド掘進機として、機体のサイド部に径方向に出没自在な拡幅用カッタを備えたシールド掘進機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
そのシールド掘進機では、通常掘削を行う場合には、拡幅用カッタを機内に格納すると共に、メインのカッタで掘削を行い、拡幅部を形成する場合には、拡幅用カッタをサイド部から突出させて掘削を行うようにしている。
しかしながら、上述のように、サイド部に拡幅用カッタを設けると、その拡幅用カッタの径の分だけ、シールド掘進機の機長が延びてしまうという問題があった。しかも、拡幅カッタを出入りさせるための機構や、拡幅用カッタの収納時にサイド部を遮蔽するためのシャッタなど必要となり、シールド掘進機の機構が複雑になるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、単純な機構でトンネルを拡幅することができ、かつコンパクト化を図ることができるシールド掘進機を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、筒体状の外殻を形成するスキンプレートと、該スキンプレートの切羽側に位置されて回転駆動自在に設けられた中央カッタと、該中央カッタの外周部に、その周方向に沿って分割されてそれぞれの基端部が枢支され且つ先端部が上記スキンプレートの前端部に延出されて設けられた外周カッタと、該外周カッタをその枢支軸廻りに先端部を径方向外方に展開移動させて拡径する外周カッタ拡径手段とを備えたものである。
好ましくは、上記中央カッタが、上記スキンプレートの開口径より小さな外径を有すると共に、上記外周カッタの先端部が上記スキンプレートの前端部に臨んで傾斜して延出されたものである。
好ましくは、上記外周カッタを枢支した中央カッタの基端部を、上記スキンプレート内において上記スキンプレートの軸と直交する直交軸廻りに回動自在に支持したものである。
好ましくは、上記外周カッタ拡径手段は、各外周カッタの裏面に一端部が枢支されると共に他端部が上記中央カッタの回転軸廻りに回転可能な回転隔壁に枢支されたリンク部材と、上記回転隔壁を前後方向に移動させる隔壁移動手段と、上記中央カッタを前後方向に移動させる中央カッタ移動手段とを備えたものである。
好ましくは、上記回転隔壁と上記中央カッタの裏面とに係合可能であり、上記外周カッタと中央カッタとの角度を固定するための着脱ビームが、異なる所定長さで複数用意され、それら長さの異なる着脱ビームが、上記外周カッタの上記中央カッタに対する角度に応じて交換されるように構成されたものである。
好ましくは、上記中央カッタおよび上記外周カッタを支持する回転体と、その回転体を上記スキンプレートの軸と直交する直交軸廻りに回転させて上記着脱ビームを坑内側に位置させるための回転体駆動手段とを備えたものである。
好ましくは、上記スキンプレート側に上記スキンプレートの前方に向けて出没自在に設けられた固定リングと、その固定リングに枢支され上記外周カッタの裏面に当接されて上記外周カッタが受ける土圧を支持するための支持リングとを備えたものである。
本発明によれば、単純な機構でトンネルを拡幅することができるという優れた効果を発揮するものである。
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
本実施形態のシールド掘進機は、トンネルに拡幅部を形成すべく、マシン径以上の径で地山を掘削可能なものである。
図1から図3に基づき本実施形態のシールド掘進機の概略構造を説明する。
図1に示すように、本実施形態のシールド掘進機1は、筒体状の外殻を形成するスキンプレート2と、該スキンプレート2の切羽側(図1において左側)に位置されて回転駆動自在に設けられた中央カッタ4と、該中央カッタ4の外周部に、その周方向に沿って分割されてそれぞれの基端部5aが枢支され且つ先端部5bが上記スキンプレート2の前端部に延出されて設けられた外周カッタ5と、該外周カッタ5をその枢支軸5c廻りに先端部5bを径方向外方に展開移動させて拡径する外周カッタ拡径手段6とを備える。
スキンプレート2は、全体として二重の筒体状(具体的には、円筒体状)に構成され、外筒側スキンプレート8と、その外筒側スキンプレート8内に摺動可能に設けられた内筒側スキンプレート9と、それら外筒側および内筒側スキンプレート8、9を連結する連結手段(図示せず)とを備える。
内筒側スキンプレート9の後方側には、シールド掘進機1に掘進力を付与するためのシールドジャッキ10が設けられる。シールドジャッキ10は、内筒側スキンプレート9の周方向に間隔を隔てて複数配置され、その先端部が既設セグメント11に係合可能に構成される。
内筒側スキンプレート9の前方には、上記中央カッタ4および外周カッタ5が設けられる。中央カッタ4は、内筒側スキンプレート9の軸芯部に同芯的に配置される。
本実施形態では、中央カッタ4が、スキンプレート2の開口径(または、内径)より小さな外径を有すると共に、外周カッタ5の先端部5bが、内筒側スキンプレート9の前端部(図1において左側端部)に臨んで傾斜して延出される。
図2に示すように、中央カッタ4および外周カッタ5は、面板状カッタからなり、その面板に、複数のディスクカッタ12および固定式カッタビット14が設けられる。中央カッタ4は前面視多角形状に形成され、その中央カッタ4の各辺ごとに各外周カッタ5が設けられる。
図1に戻り、本実施形態では、外周カッタ5を枢支した中央カッタ4の基端部4aが、スキンプレート2内においてスキンプレート2の軸と直交する直交軸廻りに回動自在に支持される。より具体的には、シールド掘進機1は、内筒側スキンプレート9内に配置され中央カッタ4および外周カッタ5を支持する回転体(具体的には、球体)16と、その球体16を上記直交軸廻りに回転させる回転体駆動手段17とを備える。
球体16は、内筒側スキンプレート9内の上下に各々設けられた回動軸部18により回動可能に支持される。回転体駆動手段17は、例えば、球体16の上方に設けられ回動軸部18を周方向に押圧して回転させる複数の回転体ジャッキなどからなる。また、球体16は、例えば大深度掘削や硬岩掘削など、高推力、高トルクが必要な時に、図示しない球体固定手段により、内筒側スキンプレート9に固定されるようになっている。この球体固定手段により上記回動軸部18にかかる曲げ力、せん断力を低減することができる。また、図3に示すように、球体16の後方には、球体16内を遮蔽するための球体ふた16aを取り付けることができる。
図1に戻り、その球体16内には、上記内筒側スキンプレート9の軸方向に延出した筒体形状を有するカッタ駆動部支持筒20が、軸方向にスライド可能に収容される。そのカッタ駆動部支持筒20と球体16との間には、カッタ駆動部支持筒20を軸方向に移動するための駆動部ジャッキ21が設けられる。駆動部ジャッキ21は、カッタ駆動部支持筒20の周方向に間隔を隔てて複数配置される。
カッタ駆動部支持筒20内には、中央カッタ4の回転軸と同芯的に旋回環22が設けられる。その旋回環22の後方には、旋回環駆動装置をなす複数のカッタ駆動用モータ(例えば、電動モータや油圧モータなど)24が、周方向に間隔を隔てて配置される。旋回環22には、カッタ駆動用モータ24に取り付けられたギア24aと噛合する歯部22aが形成される。
旋回環22の前方には、中央カッタ4の回転軸廻りに回転可能に支持されて旋回環22に接続された回転隔壁25が設けられる。その回転隔壁25に、上記中央カッタ4が、回転隔壁25と中央カッタ4の裏面とに係合可能な着脱ビーム26を介して支持される。着脱ビーム26は、一端部が回転隔壁25に着脱自在に固定され、他端部が中央カッタ4の裏面外周部に設けられたボス部28に嵌合可能に形成される。その着脱ビーム26により、回転隔壁25のトルクが中央カッタ4に伝達されると共に、掘進時に中央カッタ4に掛かる土圧が支持される。
外周カッタ拡径手段6は、各外周カッタ5と回転隔壁25との間に設けられたリンク部材30と、上記回転隔壁25を前後方向に移動させる隔壁移動手段と、上記中央カッタ4を前後方向に移動させる中央カッタ移動手段31とを備える。
リンク部材30は、一端部が各外周カッタ5の裏面に枢支されると共に他端部が上記回転隔壁25に枢支される。リンク部材30は、回転隔壁25からの駆動トルクが枢支部分に作用しないようにある程度余裕をもたせて結合される。
隔壁移動手段は、上記シールドジャッキ10と上記駆動部ジャッキ21とから構成される。
詳しくは後述するが、シールドジャッキ10を、内筒側および外筒側スキンプレート8、9の連結を解除した状態で進退させることで、内筒側スキンプレート9が外筒側スキンプレート8に対して、前後方向に移動する。これにより、内筒側スキンプレート9内に設けられた球体16を介して回転隔壁25が前後に移動する。また、駆動部ジャッキ21を進退させることで、カッタ駆動部支持筒20を介して回転隔壁25が前後に移動する。
中央カッタ移動手段31は、上記カッタ駆動部支持筒20内に設けられ上記中央カッタ4の裏面に連結されたセンタージャッキ35から構成される。センタージャッキ35は、カッタ駆動部支持筒20(スキンプレート2)の軸芯部に配置され、その先端がセンターシャフト36を介して中央カッタ4の裏面中心部に連結される。
図3に示すように、隔壁移動手段と中央カッタ移動手段31により、中央カッタ4と回転隔壁25とを近接させると、リンク部材30が作動して外周カッタ5が拡径側に回動する。このとき、外周カッタ5と中央カッタ4との角度(拡径側の角度位置)は、中央カッタ4と回転隔壁25との間に設けられた上記着脱ビーム26により固定される。詳しくは後述するが、本実施形態では、着脱ビーム26が異なる所定長さで複数用意され、それら長さの異なる着脱ビームが、上記外周カッタ5の上記中央カッタ4に対する角度や、外周カッタ5の外径や、中央カッタ4と回転隔壁25との距離などに応じて交換される。
一方、中央カッタ4と回転隔壁25とを離間させると、外周カッタ5が縮径側に回動する。このように、本実施形態では、外周カッタ拡径手段6により、外周カッタ5が拡径および縮径される。つまり、本実施形態のシールド掘進機1は、カッタ径が連続可変の拡縮カッタを備える。
また、本実施形態のシールド掘進機1は、スキンプレート2側にスキンプレート2の前方(図1および図3において左方)に向けて出没自在に設けられた固定リング40と、その固定リング40に枢支され外周カッタ5の裏面に当接されて上記外周カッタ5が受ける土圧を支持するための支持リング41とを備える。
具体的には、上記球体16のカッタ駆動部支持筒20よりも径方向外側に、固定リング40を前後方向に移動させるためのリングジャッキ42が設けられる。リングジャッキ42は、周方向に間隔を隔てて複数配置される。また、支持リング41と固定リング40との間には、図示しないベアリング部材が設けられ、支持リング41が外周カッタ5の回転軸廻りに回動自在に支持される。
外周カッタ5の回転時には、支持リング41が外周カッタ5と共に回転し、その支持リング41を介して、固定リング40およびリングジャッキ42が外周カッタ5を裏面側(図1において右側)から支持する。
次に、本実施形態のシールド掘進機1の作用を説明する。
本実施形態のシールド掘進機1は、図1に示すように、通常掘削時は外周カッタ5の径をマシン径(スキンプレート2の径)と略同一(縮径状態)にして掘削を行い、非常駐車帯などを構築する場所においては(つまり、拡幅掘削時は)、図3に示すように、外周カッタ5の外径をマシン径よりも拡径(拡径状態)して掘削を行う。
この通常掘削時と拡幅掘削時とにおいて、回転隔壁25の着脱ビーム26が中央カッタ4に突き合わされ、外周カッタ5の外径が規定される。本実施形態では、外周カッタ5を拡径する時に、着脱ビーム26を交換するようにしている。その着脱ビーム26の交換は、まず、外周カッタ5を縮径して球体16内に収容し、その球体16を坑内側に反転させる。次に、着脱ビーム26を短いものに交換した後、球体16を切羽側に回転させる。その後、外周カッタ5を拡径する。
図4から図14に基づき、外周カッタ5の拡幅を以下に詳述する。図4から図13は、シールド掘進機1の模式側面図であり、図14はシールド掘進機1の平面図である。なお、図4は、図1と同様の通常掘削状態を示すものである。
まず、図5に示すように、外周カッタ5から支持リング41を離間させる。具体的には、外周カッタ5と支持リング41との係合を解除した後、リングジャッキ42を縮退させて支持リング41および固定リング40を後方に移動する。つまり、支持リング41および固定リング40をスキンプレート2側に引き寄せる。
次に、外周カッタ5を縮径する。本実施形態では、外周カッタ5の縮径は、シールドジャッキ10、または駆動部ジャッキ21を縮退させながら(スキンプレート2側に引き寄せながら)、センタージャッキ35を伸長させて行う。
図6に示すように、まず、予め内筒側スキンプレート9と外筒側スキンプレート8との連結を解除する。次に、シールドジャッキ10の先端を既設セグメント11に係合する。このとき、内筒側スキンプレート9の後退スペースを確保するために、既設セグメント11を一リング分または複数リング分取り外すようにしてもよい。次に、シールドジャッキ10を縮退させて内筒側スキンプレート9を後方に(坑内側に)移動させながら、センタージャッキ35を伸長させる。本実施形態では、センタージャッキ35の伸長量をシールドジャッキ10の縮退量と同一にする。
これにより、リンク部材30により外周カッタ5が後方側に回動して、外周カッタ5が縮径する。また、センタージャッキ35の伸長量とシールドジャッキ10の縮退量とを同一としたので、中央カッタ4の前後位置が固定される。
次に、図7に示すように、駆動部ジャッキ21を縮退させてカッタ駆動部支持筒20を後方に移動させながら、センタージャッキ35を伸長させる。このとき、シールドジャッキ10を縮退させた場合と同様に、センタージャッキ35の伸長量をシールドジャッキ10の縮退量と同一にする。これにより、中央カッタ4の前後位置が固定された状態で、外周カッタ5が後方側に回動して、外周カッタ5がさらに縮径する。
以上により、中央カッタ4および外周カッタ5がシールド掘進機1内に格納可能な大きさまで縮径される。具体的には、外周カッタ5の外径が球体16の回転軌跡(図6および図7において二点鎖線で示す)内に収まるまで、外周カッタ5が縮径される。
次に、着脱ビーム26を交換する。まず、図7に示すように、送泥管や排泥管(図示せず)などを取り外して、球体16の後部(坑内側)に球体ふた16aを設置する。その後、図8に示すように、球体16を上記直交軸廻りに回転させて前後反転させ、中央カッタ4および外周カッタ5をシールド掘進機1内に格納する。これにより、中央カッタ4および外周カッタ5が坑内側(図8において右側)に位置して露出する。この状態で、着脱ビーム26を、通常掘削時よりも短いものに交換する(図9参照)。本実施形態では、図3に示すように、中央カッタ4と外周カッタ5が面一の状態のときに、中央カッタ4のボス部28に突き合わされるような長さの着脱ビーム26’を用いる。さらに、本実施形態では、損耗カッタビット等を適宜交換する。その後、再び球体16を前後反転して、中央カッタ4および外周カッタ5を地山側に向ける。
次に、外周カッタ5を拡径する。本実施形態では、外周カッタ5の拡径は、シールドジャッキ10、または駆動部ジャッキ21を伸長させながら(切羽側に押し出しながら)、センタージャッキ35を縮退させて行う。
まず、図10に示すように、駆動部ジャッキ21を伸長させてカッタ駆動部支持筒20を前方に(地山側に)移動させながら、センタージャッキ35を縮退させる。本実施形態では、センタージャッキ35の縮退量をシールドジャッキ10の伸長量と同一にする。
これにより、中央カッタ4の前後位置が固定された状態で、外周カッタ5が前方側に回動して、外周カッタ5が拡径する。
次に、図11に示すように、シールドジャッキ10を伸長させて内筒側スキンプレート9を前方に移動させながら、センタージャッキ35を縮退させる。このとき、駆動部ジャッキ21を伸長させた場合と同様に、センタージャッキ35の縮退量をシールドジャッキ10の伸長量と同一にする。
これにより、中央カッタ4の前後位置が固定された状態で、外周カッタ5が前方側に回動して、外周カッタ5がさらに拡径する。
以上により、中央カッタ4および外周カッタ5がマシン径よりも拡径される。本実施形態では、中央カッタ4と外周カッタ5とが面一となる状態まで、外周カッタ5が拡径される。
次に、図12に示すように、外周カッタ5を支持リング41により支持する。具体的には、リングジャッキ42を伸長させて支持リング41および固定リング40を前方に移動する。つまり、支持リング41および固定リング40を切羽側(外周カッタ5側)に押し出す。その後、外周カッタ5と支持リング41とを係合させる。
次に、図13に示すように、シールドジャッキ10を縮退させて内筒側スキンプレート9を後方に移動させる。なお、このときは、センタージャッキ35を伸長させない。
以上のように、外周カッタ5の外径をマシン径よりも拡径することで、トンネルが拡幅掘削され、その後、拡幅部のセグメントが組み立てられる。拡幅部のセグメントの組立は、例えば、拡幅部を掘削後、その拡幅部がシールド掘進機1の後方に位置したら、拡幅部の土砂を除去してセグメントを組み立てる方法や、トンネル本体の周方向外側に三日月型に張り出すようにセグメントを組み立てた後、その拡幅部をトンネル本体と結合させる方法など、様々ものが可能である。
このように、本実施形態では、通常掘削に使用した外周カッタ5を拡径することで、トンネルを拡幅して掘削することができる。
したがって、シールド掘進機1のサイド部に拡幅用カッタを追加装備する必要がなくなり、メインのカッタ4、5のみでトンネルを拡幅することが可能である。さらに、拡幅用カッタを省略することで機長を短縮することができ、シールド掘進機1のコンパクト化を図ることができる。また、拡幅用カッタを省略することで機構を単純にすることができる。
また、外周カッタ5の外径が連続可変するので、トンネルの拡幅径を自在に変化させることができる。
また、着脱ビーム26を交換することで、外周カッタ5の外径を正確に定めることができ、また中央カッタ4および外周カッタ5を裏面側から確実に支持することができる。
また、着脱ビーム26の交換時に、中央カッタ4および外周カッタ5を坑内側に位置させることで、容易に取替作業を行うことができる。
また、スキンプレートを内筒側スキンプレートと外筒側スキンプレートとから構成することで、外周カッタが回動するためのスペースを容易に確保することができる。
また、外周カッタを縮小してシールド掘進機内部側に回動させる機構を備えたため、掘進途中にカッタの損耗カッタビット等を交換することができる。
さらに、本実施形態では、図14に示すように、球体16を拡幅側に回転させて、外周カッタ5を拡幅側のスキンプレート2から、さらに突出させる。具体的には、拡幅部と反対側の外周カッタ5の端部が、スキンプレート2の前方(図14において左方)延長線内に位置するまで、球体16を回転させる。
このように、拡幅掘削(拡径)時に球体16により中央カッタ4および外周カッタ5を拡幅側に振ることで、所望の箇所のみを掘削することとなり、さらに効率よく拡幅部を掘削することが可能となる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
例えば、着脱ビームの長さは、形成する拡幅部の大きさに応じて、適宜設定することが可能である。
また、着脱ビームを、回転隔壁に出没自在に(例えば、ネジ送り機構により)設け、その着脱ビームの出没長さを、外周カッタの中央カッタに対する角度に応じて変更するようにしてもよい。
また、着脱ビームの変わりに、シールドジャッキ、駆動部ジャッキ、およびセンタージャッキのロッド部に、例えば、半割円筒状のストッパを嵌合させて、各ジャッキの進退を固定することで、外周カッタの外径を規定するようにしてもよい。
また、外周カッタの拡径時および縮径時においては、中央カッタの前後位置を保つことが望ましいが、これに限定されない。
1 シールド掘進機
2 スキンプレート
4 中央カッタ
5 外周カッタ
6 外周カッタ拡径手段
16 回転体
17 回転体駆動手段
25 回転隔壁
26 着脱ビーム
30 リンク部材
31 中央カッタ移動手段
40 固定リング
41 支持リング
2 スキンプレート
4 中央カッタ
5 外周カッタ
6 外周カッタ拡径手段
16 回転体
17 回転体駆動手段
25 回転隔壁
26 着脱ビーム
30 リンク部材
31 中央カッタ移動手段
40 固定リング
41 支持リング
Claims (7)
- 筒体状の外殻を形成するスキンプレートと、
該スキンプレートの切羽側に位置されて回転駆動自在に設けられた中央カッタと、
該中央カッタの外周部に、その周方向に沿って分割されてそれぞれの基端部が枢支され且つ先端部が上記スキンプレートの前端部に延出されて設けられた外周カッタと、
該外周カッタをその枢支軸廻りに先端部を径方向外方に展開移動させて拡径する外周カッタ拡径手段とを備えたシールド掘進機。 - 上記中央カッタが、上記スキンプレートの開口径より小さな外径を有すると共に、上記外周カッタの先端部が上記スキンプレートの前端部に臨んで傾斜して延出された請求項1記載のシールド掘進機。
- 上記外周カッタを枢支した中央カッタの基端部を、上記スキンプレート内において上記スキンプレートの軸と直交する直交軸廻りに回動自在に支持した請求項1または2記載のシールド掘進機。
- 上記外周カッタ拡径手段は、各外周カッタの裏面に一端部が枢支されると共に他端部が上記中央カッタの回転軸廻りに回転可能な回転隔壁に枢支されたリンク部材と、上記回転隔壁を前後方向に移動させる隔壁移動手段と、上記中央カッタを前後方向に移動させる中央カッタ移動手段とを備えた請求項1から3いずれかに記載のシールド掘進機。
- 上記回転隔壁と上記中央カッタの裏面とに係合可能であり、上記外周カッタと中央カッタとの角度を固定するための着脱ビームが、異なる所定長さで複数用意され、
それら長さの異なる着脱ビームが、上記外周カッタの上記中央カッタに対する角度に応じて交換されるように構成された請求項4記載のシールド掘進機。 - 上記中央カッタおよび上記外周カッタを支持する回転体と、その回転体を上記スキンプレートの軸と直交する直交軸廻りに回転させて上記着脱ビームを坑内側に位置させるための回転体駆動手段とを備えた請求項5記載のシールド掘進機。
- 上記スキンプレート側に上記スキンプレートの前方に向けて出没自在に設けられた固定リングと、その固定リングに枢支され上記外周カッタの裏面に当接されて上記外周カッタが受ける土圧を支持するための支持リングとを備えた請求項1から6いずれかに記載のシールド掘進機。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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JP2005287967A JP2007100316A (ja) | 2005-09-30 | 2005-09-30 | シールド掘進機 |
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Publication Number | Publication Date |
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